Un neo-muscolo ingegnerizzato per collegare il sistema nervoso alle protesi

La ricerca, frutto della collaborazione tra Sant'Anna, Centro Protesi INAIL, Rizzoli e IIT, sviluppa un neo-muscolo ingegnerizzato capace di connettersi funzionalmente a un nervo periferico

È una nuova tecnologia di interfaccia neurale per migliorare la connessione tra il sistema nervoso residuo del paziente con amputazione e la protesi artificiale. L’ultima frontiera dell’innovazione nel campo della medicina rigenerativa e della protesica ha portato allo sviluppo di una interfaccia neurale periferica rigenerativa (RPNI - Regenerative Peripheral Nerve Interface) che apre nuove prospettive nel controllo delle protesi.

Lo studio, pubblicato sulla rivista internazionale Bioactive Materials, è frutto di una collaborazione scientifica tra Scuola Superiore Sant’Anna di Pisa, Centro Protesi INAIL, Istituto Ortopedico Rizzoli e Istituto Italiano di Tecnologia - IIT. Il team di ricerca ha sviluppato un costrutto muscolare ingegnerizzato ottenuto combinando mioblasti, cioè precursori staminali del tessuto muscolare, e biomateriali innovativi. Questo neo-muscolo è stato successivamente collegato chirurgicamente a un nervo periferico in un modello preclinico di danno neurale, dando origine a una connessione funzionale tra tessuto nervoso e tessuto muscolare.

“Il nostro approccio integra strategie avanzate di ingegneria tissutale con il mondo della protesica. Per promuovere la maturazione del tessuto muscolare e la sua integrazione con il tessuto nervoso abbiamo usato particelle piezoelettriche, materiali capaci di generare segnali elettrici quando vengono sottoposti a stimoli meccanici. La stimolazione esterna è stata ottenuta mediante ultrasuoni pulsati, una tecnologia non invasiva già utilizzata in diversi ambiti biomedicali, ma che in questo studio abbiamo sfruttato in modo innovativo” dichiara Leonardo Ricotti, professore presso la Scuola Sant’Anna e responsabile del Regenerative Technologies Lab.

La ricerca introduce due importanti novità scientifiche. Da un lato, rappresenta il primo caso documentato di una interfaccia neurale periferica rigenerativa realizzata attraverso tecniche di ingegneria tissutale e successivamente impiantata e connessa a un nervo periferico. Dall’altro, evidenzia come la combinazione tra le particelle piezoelettriche integrate nel costrutto muscolare e la stimolazione mediante ultrasuoni possa favorire sia la maturazione del tessuto muscolare sia la rigenerazione del tessuto nervoso.

“Questo risultato rappresenta un elemento fondamentale per il futuro controllo delle protesi avanzate, poiché consente di acquisire e amplificare i segnali provenienti dal sistema nervoso residuo dell'amputato, sfruttandoli per un controllo naturale e intuitivo” dichiara Christian Cipriani, professore presso la Scuola Sant’Anna e responsabile dell’Artificial Hands Area.

“L'obiettivo a lungo termine dei ricercatori è la realizzazione di una nuova generazione di protesi bioniche dotate di numerosi gradi di libertà e controllabili in modo naturale dai pazienti. In questo scenario, una rete di interfacce neurali rigenerative potrebbe fungere da collegamento stabile tra sistema nervoso e dispositivo protesico” dichiara Emanuele Gruppioni, Direttore tecnico dell'Area Ricerca e Formazione del Centro Protesi INAIL. “I costrutti muscolari sviluppati nell'ambito dello studio potrebbero inoltre agire come veri e propri amplificatori biologici dei segnali nervosi, consentendo l'esecuzione di movimenti sempre più complessi e migliorando significativamente la qualità della vita delle persone con amputazione.”

“La sfida successiva è trasferire queste tecnologie dalla ricerca alla pratica clinica” sottolinea Paolo Sassu, chirurgo ortopedico dell’Istituto Ortopedico Rizzoli. “La moderna ricostruzione bionica degli arti nasce proprio dall’integrazione tra chirurgia, neuroingegneria e protesica avanzata: attraverso procedure chirurgiche dedicate possiamo creare nuove interfacce biologiche con il sistema nervoso e renderle utilizzabili per il controllo delle protesi. È su questa integrazione multidisciplinare che stiamo lavorando per sviluppare un programma dedicato alla bionica e alla ricostruzione avanzata degli arti”.

“Portare tecniche avanzate di caratterizzazione, quali la microscopia elettronica a trasmissione, all’interno di uno studio interdisciplinare di tale livello che combina medicina rigenerativa e protesica, è stato il nostro modo di contribuire ad una sfida complessa che apre nuove prospettive nello sviluppo delle protesi” aggiunge Mauro Gemmi, ricercatore responsabile dell’unità Electron Crystallography dell’Istituto Italiano di Tecnologia - IIT.

Riferimenti dello studio

Ultrasound-activated piezoelectric muscle constructs for tissue-engineered regenerative peripheral nerve interfaces

Lorenzo Vannozzia b, Juliana Redondoa b , Diego Truccoa b, Carlotta Puccia b , Leonardo Boccolia b, Camilla Schirru a b, Marta Gherardini a b, Waleed Mustafa Ali Al-ghilan a b, Paola Parlanti c, Mauro Gemmi c, Paolo Sassu d, Emanuele Gruppioni e, Christian Cipriani a b, Leonardo Ricotti a b

a The BioRobotics Institute, Scuola Superiore Sant’Anna, Pisa

b Department of Excellence in Robotics & AI, Scuola Superiore Sant’Anna

c Center for Materials Interfaces, Electron Cristallography, Istituto Italiano di Tecnologia, Pontedera

d IRCCS Istituto Ortopedico Rizzoli, Bologna

e Centro Protesi INAIL, Istituto Nazionale per l’Assicurazione contro gli Infortuni sul Lavoro, Vigorso di Budrio

Fonte: Sant'Anna di Stazzema - Ufficio Stampa