Abstract:

Versione in italiano:

Il progetto 3D-BIOSAME svilupperà piattaforme fisiologiche in vitro che si prevede possano migliorare le attuali capacità di potenziare la macchina biologica che innesca la rigenerazione nel midollo spinale (SC) danneggiato dei mammiferi, in una prospettiva terapeutica.

Gli studi in vivo forniscono importanti passi in avanti, rappresentando un approccio fondamentale per la ricerca traslazionale, anche se presentano diverse limitazioni. Le piattaforme in vitro rappresentano una strategia alternativa. Non solo riducono le preoccupazioni etiche e i costi, ma hanno anche il potenziale per una personalizzazione specifica per paziente. Pertanto, le piattaforme in vitro offrono l'opportunità unica di combinare le caratteristiche del sistema modello sperimentale con le proprietà biologiche dei tessuti e degli organi, raggiungendo l'obiettivo finale di ricapitolare la complessa fisiologia umana in vitro. Attualmente, un pieno sfruttamento di questa tecnologia nella rigenerazione neurale è lontano dall'essere raggiunto, e mancano metodi per produrre un modello di SC fisiologicamente rilevante. La complessità della struttura del midollo spinale dei mammiferi e la sua composizione eterogenea ostacolano gli sforzi di ricerca per lo sviluppo di un SC in vitro che ricapitoli le caratteristiche chiave del contesto in vivo dei mammiferi.

3D-BIOSAME si propone di realizzare per la prima volta un modello di SC bioprintato in 3D che combina neuroni sensoriali, corticali e motori con la controparte gliale in un contesto simile a quello in vivo. La bioprinting 3D è un metodo favorevole alle cellule per fabbricare scaffold cellularizzati con geometria definita e molteplici fenotipi cellulari. L'uso di bioinchiostri progettati ad hoc indirizza la cellula verso un'alta vitalità, massimizzando le interazioni tra cellule e tra cellule e l'ambiente extracellulare, risultando in una corrispondenza più precisa dello scenario in vivo. Utilizzeremo cellule murine per stabilire i protocolli di progettazione e lavorazione del modello, la cui affidabilità sarà testata confrontando la sua risposta al danno con quella dei modelli murini. Attualmente, la generazione di modelli in vivo di lesioni del midollo spinale (SCI) è un processo altamente invasivo e dispendioso in termini di tempo, che richiede un gran numero di animali per ottenere dati rilevanti di significato statistico. Gli esperimenti in vitro possono ridurre notevolmente questi svantaggi. A tal proposito, proporremo modelli SCI in vitro applicando due diversi tipi di danno agli assoni centrali (lesione meccanica classica e approccio innovativo basato su tossine) e successivamente monitoreremo la degenerazione assonale e l'attivazione gliale risultanti. Successivamente, verranno utilizzati agenti pro-regenerativi noti, nonché un nuovo composto recentemente identificato da UNIPD, per potenziare la rigenerazione. Infatti, crediamo che il modello 3D abbia il potenziale per diventare una piattaforma di screening per la validazione di nuove molecole pro-regenerative, in una prospettiva terapeutica.

Il progetto 3D-BIOSAME trarrà vantaggio dall'interazione scientifica tra ricercatori con un background multidisciplinare e competenze chiave nell'ingegneria biomedica (POLITO), nei modelli in vitro e in vivo di topo (UNITO), nella rigenerazione nervosa dei mammiferi (UNIPD) e nella caratterizzazione dei materiali (CNR).

English version:

3D-BIOSAME project will develop physiological in vitro platforms expected to improve our current capabilities to boost the biological machinery that triggers regeneration in the injured spinal cord (SC) of mammals, in a therapeutic perspective.
Studies in vivo provide important step-forwards, as an important approach for translational research, although showing several limitations. The in vitro platforms represent an alternative strategy. Not only do they reduce ethical and cost concerns, they also have the potential for patient-specific customization. Thus, in vitro platforms offer the unique potential to combine the features of the experimental system-model with the biological properties of tissues and organs, achieving the final goal of recapitulating the complex human physiology in vitro. At present, a full exploitation of this technology in neural regeneration is far from being achieved, and methods to produce a physiologically-relevant SC model are missing. The complexity of the mammalian SC structure and its heterogeneous composition hamper research efforts towards the development of in vitro SC recapitulating the key features of the in vivo mammalian context.
3D-BIOSAME aims to realize for the first time a 3D bioprinted SC model combining sensory, cortical and motor neurons with the glia counterpart in an in vivo-like framework. Three-D bioprinting is a cell-friendly method to fabricate cellularized scaffolds with defined geometry and multiple cell phenotypes. The use of ad hoc designed bioinks steers the cell towards high viability maximizing cell-cell, cell-extracellular environment interactions resulting in a more closely-matching of the in vivo scenario. We will utilize murine cells to establish the design and processing protocols of the model, whose reliability will be tested by comparing its response to injury with that of murine models. At present, generation of in vivo models of spinal cord injury (SCI) is a highly invasive, time‐consuming process requiring a large number of animals to obtain relevant data of statistical significance. Experiments in vitro can strongly reduce these drawbacks. In this regard, we will propose in vitro SCI models by applying 2 different types of damage to central axons (classical mechanical injury and innovative toxin-based approach) and then monitor the ensuing axonal degeneration and glial activation. Next, known pro-regenerative agents, as well as a novel compound recently identified by UNIPD, will be used to boost regeneration. Indeed, we believe that the 3D model holds the potential to become a screening platform for the validation of novel pro-regenerative molecules, in a therapeutic perspective. 3D-BIOSAME will benefit from the scientific interaction among researchers having a multidisciplinary background with key expertise in biomedical engineering (POLITO), in vitro and in vivo mice models (UNITO), mammalian nerve regeneration (UNIPD), and materials characterization (CNR).

Contatti: michela.rigoni@unipd.it