Evaluation of Densified Collagen Tubes as an Interposition Graft in Abdominal Aorta

Il corpo umano è una rete di tubi che trasportano sangue, portatore di vita, in ogni angolo. Quando un tubo principale come l'aorta viene danneggiato o ostruito, i chirurghi devono spesso sostituire una sezione con un nuovo condotto. Per decenni, le migliori opzioni sono state i materiali sintetici, come il politetrafluoroetilene espanso o il poliestere intrecciato. Sebbene questi innesti artificiali possano sostenere il sangue sotto pressione, sono rigidi e non si comportano come un tessuto vivente. Spesso falliscono nel tempo perché il corpo non può rimodellarli, e frequentemente scatenano la formazione di coaguli che bloccano il flusso. Gli scienziati cercano da tempo un'alternativa migliore: un innesto fatto di materiali biologici naturali che il corpo possa accettare, riparare e infine integrare come proprio. La sfida consiste nel rendere questi tubi biologici abbastanza forti da sopportare la forza di un battito cardiaco senza collassare, ma anche abbastanza flessibili da muoversi con l'arteria, il tutto evitando che il sangue aderisca all'interno formando pericolosi coaguli.

Ricercatori dell'Università di Cambridge hanno compiuto un passo significativo verso la risoluzione di questo problema creando innesti vascolari dal collagene, la principale proteina strutturale presente nella pelle umana e nei tessuti connettivi. In uno studio pubblicato come preprint, il team ha dimostrato di poter trasformare un gel di collagene morbido e gelatinoso in un tubo cavo e resistente capace di sostituire una sezione dell'aorta addominale in ratti. Hanno testato due versioni diverse di questi tubi. La prima era un tubo a parete spessa che era stato trattato chimicamente per renderlo più forte. Sebbene questa versione permettesse la crescita di nuovo tessuto sulla superficie interna, alla fine è fallita perché era troppo rigida rispetto all'arteria naturale, portando alla formazione di coaguli di sangue che hanno bloccato il vaso dopo diversi mesi. La seconda versione è stata una svolta: un tubo molto più sottile e non trattato che corrispondeva alla flessibilità dell'arteria naturale. Aggiungendo al mix una sostanza comune chiamata acido ialuronico, il team ha reso i filamenti di collagene più compatti, creando un tubo che fosse allo stesso tempo resistente e flessibile. Questi tubi a parete sottile sono rimasti aperti e funzionali per fino a 17 settimane, permettendo al corpo di sviluppare un nuovo rivestimento interno e di integrare l'innesto nel tessuto circostante.

Il percorso per creare questi tubi è iniziato con un'osservazione semplice: il gel di collagene è naturalmente troppo debole per servire come vaso sanguigno. Per risolvere il problema, il team ha utilizzato un processo chiamato densificazione. Immaginate una spugna imbevuta d'acqua; se ne strizzate fuori l'acqua, la spugna diventa molto più densa e forte. I ricercatori hanno applicato questo principio a un gel di collagene, ma invece di strizzarlo con le mani, hanno usato la gravità e un imbuto specializzato per estrarre l'acqua dal gel in modo controllato. Mentre l'acqua usciva, le fibre di collagene venivano tirate insieme e allineate, trasformando il gel morbido in un materiale denso e durevole. Per il primo set di esperimenti, hanno creato tubi a parete spessa utilizzando un metodo a imbuto che poteva essere facilmente scalato alle dimensioni umane. Hanno poi reticolato chimicamente questi tubi con un colorante naturale chiamato genipina per stabilizzarli e impedire loro di gonfiarsi a contatto con il sangue. Hanno anche rivestito la superficie con eparina, un comune farmaco anticoagulante, per cercare di impedire la formazione di coaguli.

Quando questi tubi a parete spessa e trattati chimicamente sono stati impiantati nell'aorta addominale di ratti, i risultati sono stati contrastanti. Per i primi dieci settiman, gli innesti hanno funzionato bene. Il sangue fluiva attraverso di essi e il corpo iniziò a costruire un nuovo strato interno, noto come neointima, composto da cellule muscolari lisce e da un rivestimento di cellule endoteliali. Questo nuovo rivestimento è crucialo perché imita la superficie naturale di un vaso sanguigno. Tuttavia, con il passare del tempo, sono emersi i limiti della parete spessa. L'innesto era significativamente più rigido dell'aorta naturale del ratto. Questa differenza di rigidità creava un disallineamento nel punto in cui l'innesto incontrava l'arteria naturale, interrompendo il flusso regolare del sangue. Entro le 26 settimane, questa interruzione aveva causato una coagulazione estesa, bloccando il vaso. I coaguli sembravano iniziare nell'arteria naturale ed estendersi nell'innesto, suggerendo che il disallineamento meccanico fosse la causa primaria del fallimento. Il trattamento chimico che rendeva il tubo resistente impediva anche alle cellule del corpo di crescere nella parete dell'innesto, lasciandolo come un oggetto estraneo che il corpo non poteva integrare completamente.

Riconoscendo che la lo spessore e il trattamento chimico erano i problemi, i ricercatori hanno sviluppato un secondo approccio, più raffinato. Volevano un tubo che fosse sottile quanto la parete dell'arteria naturale, circa 100 micrometri, e che non richiedesse la reticolazione chimica. Per ottenere questo, hanno modificato il processo di densificazione a imbuto. Invece di far scorrere il gel attraverso un passaggio stretto, hanno ancorato la parte superiore e inferiore del gel con una rete metallica e membrane porose. Mentre l'acqua veniva rimossa dal fondo, il gel era costretto a densificarsi verso l'interno, creando un tubo molto sottile e ad alta densità senza la necessità di essiccazione all'aria o stabilizzatori chimici. Per rendere il tubo ancora più sottile e resistente, hanno aggiunto acido ialuronico, una sostanza naturalmente presente nel corpo, alla miscela di collagene prima della densificazione. Questa aggiunta ha fatto sì che le fibre di collagene si raggruppassero in modo più efficace, permettendo al gel di comprimersi in un volume minore. Il risultato è stato un tubo a parete sottile con una densità di collagene quasi del 50% superiore rispetto alla versione non modificata, pur rimanendo flessibile e non richiedendo reticolazione chimica.

Il team ha poi testato questi nuovi tubi a parete sottile in ratti. Poiché i tubi erano così sottili e flessibili, corrispondevano alla capacità dell'arteria naturale di espandersi e contrarsi a ogni battito cardiaco. Questa stretta corrispondenza nelle proprietà meccaniche significava che non c'era una transizione brusca nei punti di connessione, permettendo al sangue di fluire regolarmente. I ricercatori hanno anche trattato la superficie di questi tubi con un diverso agente anti-coagulante chiamato dipiridamolo, che è meno probabile che venga lavato via rispetto all'eparina. I risultati sono stati sorprendenti. Per un periodo di 17 settimane, gli innesti sono rimasti aperti e funzionali. A differenza della versione a parete spessa, il corpo è stato in grado di far crescere le cellule nella parete del sottile innesto. Un nuovo rivestimento interno si è formato, completo di uno strato di cellule endoteliali e di un sottostante strato di cellule muscolari lisce, trasformando efficacementamente il tubo artificiale in tessuto vivente. Anche la superficie esterna ha sviluppato un nuovo strato di tessuto connettivo, noto come neo-avventizia, che ha aiutato ad ancorare l'innesto in posizione.

Una delle scoperte più sorprendenti è stata che l'aggiunta di acido ialuronico ha fatto molto di più che rendere il tubo più sottile; ha anche reso la superficie meno incline a scatenare coaguli di sangue. Anche senza il rivestimento chimico, il collagene modificato con acido ialuronico resisteva al coagulo in modo significativamente migliore rispetto al collagene semplice. Ciò suggerisce che il modo in cui le fibre di collagene sono disposte a livello microscopico gioca un ruolo fondamentale nel modo in cui il sangue interagisce con la superficie. I ricercatori hanno scoperto che la struttura a fasci di fibre creata dall'acido ialuronico riduceva la capacità delle piastrine di aderire e attivarsi, fornendo una protezione integrata contro la coagulazione che completava il rivestimento superficiale. Questo approccio duplice — migliorare la struttura interna del materiale e trattare la superficie — si è rivelato più efficace rispetto al solo affidarsi ai trattamenti superficiali.

Lo studio ha inoltre evidenziato l'importanza di far corrispondere le proprietà meccaniche di un innesto a quelle del vaso naturale. Il fallimento dell'innesto a parete spessa non era dovuto a una mancanza di resistenza o all'incapacità di guarire la superficie, bensì al fatto che era troppo rigido. La rigidità creava una perturbazione nel flusso sanguigno che il corpo non riusciva a superare, portando alla formazione di coaguli. Al contrario, l'innesto a parete sottile, che si muoveva in armonia con l'arteria naturale, ha permesso al corpo di guarire e integrare con successo il materiale. Questa scoperta suggerisce che per i vasi sanguigni di piccolo diametro, la flessibilità e la compliance sono importanti tanto quanto la resistenza. I ricercatori hanno osservato che, sebbene il metodo a parete sottile sia attualmente difficile da scalare per vasi di dimensioni umane, il metodo a parete spessa utilizzato per il primo set di esperimenti può essere scalato. Ciò significa che in futuro potrebbe essere possibile utilizzare la tecnica a parete spessa per vasi più grandi dove il disallineamento di rigidità è meno critico, mentre la tecnica a parete sottile potrebbe essere perfezionata per arterie più piccole e delicate.

Il percorso futuro prevede di testare questi innesti in animali più grandi per vedere se i risultati si mantengono in un sistema che assomiglia più da vicino alla fisiologia umana. I ricercatori sono fiduciosi che i principi che hanno scoperto — specificamente la necessità di compatibilità meccanica e i benefici della modulazione della struttura del collagene — guideranno lo sviluppo di futuri innesti vascolari. Lo studio non sostiene di aver risolto interamente il problema degli innesti vascolari di piccolo diametro, poiché uno dei tubi a parete sottile è alla fine fallito a causa di un problema chirurgico piuttosto che di un difetto del materiale; tuttavia, il fatto che quattro innesti su cinque a parete sottile siano rimasti pervi per 17 settimane, con piena integrazione e crescita di nuovo tessuto, fornisce una solida base per la ricerca futura. Il lavoro dimostra che è possibile creare un innesto vascolare da un semplice materiale naturale che il corpo può accettare e rimodellare, offrendo un'alternativa promettente alle opzioni sintetiche attualmente disponibili. Concentrandosi su come il materiale interagisce con il corpo sia a livello meccanico che biologico, il team si è avvicinato a un futuro in cui i vasi sanguigni danneggiati possono essere sostituiti con tessuto vivo e pulsante.