Gelatin and PLG-based Scaffolds Differentially Support Follicle Integrity and Oocyte Growth in a 3D printed Scaffold

Per molti bambini che affrontano tumori potenzialmente letali, gli stessi trattamenti che salvano loro la vita possono rubare la fertilità futura. La chemioterapia e la radioterapia spesso danneggiano le ovaie, gli organi che producono uova e ormoni essenziali. Negli adulti, i medici possono talvolta congelare e conservare il tessuto ovarico per un uso successivo, ma questo approccio è pericoloso per i bambini. Le loro ovaie contengono uova immature che non possono essere congelate singolarmente, e reimpiantare il proprio tessuto comporta il rischio di reintrodurre cellule cancerose se la malattia si fosse diffusa lì. Per risolvere questo problema, gli scienziati stanno lavorando a un tipo diverso di soluzione: un'ovaia bioprotesica. Si tratta di un organo artificiale costruito da uno scaffold, una minuscola struttura porosa progettata per contenere sacche d'uovo isolate, chiamate follicoli, e aiutarle a crescere e maturare fuori dal corpo finché non sono pronte per l'uso. L'obiettivo è sostituire il tessuto danneggiato con questo sistema di supporto ingegnerizzato, permettendo al corpo di produrre ormoni e, infine, di rilasciare uova sane.

La sfida consiste nel trovare il materiale giusto per costruire questo scaffold. Il follicolo è una delicata struttura tridimensionale che deve essere tenuta saldamente pur consentendo al contempo l'espansione durante la crescita. Deve interagire con le cellule di supporto circostanti e ricevere nutrienti, proprio come una pianta ha bisogno del giusto terreno per mettere radici e fiorire. In precedenza, i ricercatori avevano utilizzato un materiale chiamato gelatina, derivato dal collagene, perché imita l'ambiente naturale del corpo e aiuta le cellule ad aderirvi. Più recentemente, hanno anche esaminato un materiale sintetico ultra-poroso chiamato poli(acido lattico-co-glicolico) ultra-morbido, o UF-PLG. Questo materiale è incredibilmente leggero e può assorbire molte volte il proprio peso in liquido, offrendo un tipo diverso di struttura. La domanda era se uno di questi materiali fosse chiaramente superiore, o se offrissero punti di forza diversi che potessero dover essere combinati.

Un team di ricercatori si è proposto di confrontare direttamente questi materiali. Hanno utilizzato una stampante 3D per creare minuscoli scaffold da tre sostanze diverse: gelatina pura, UF-PLG puro e una versione ibrida in cui l'UF-PLG era rivestito di gelatina. Hanno stampato questi scaffold con un modello geometrico specifico, costituito da cinque strati di montanti disposti tra loro con un angolo di sessanta gradi, creando angoli che potessero accogliere fisicamente i follicoli sferici. Hanno poi preso follicoli secondari, ovvero piccole sacche d'uovo grandi quanto un chicco di sabbia, dalle ovaie di topi giovani. Ogni follicolo è stato posto su uno dei tre tipi di scaffold e lasciato crescere in un liquido ricco di nutrienti per due, quattro o sei giorni. Gli scienziati hanno poi esaminato i follicoli sotto potenti microscopi per vedere quanto bene rimanessero attaccati, se mantenessero la loro forma e quanto crescesse l'uovo all'interno.

I risultati hanno rivelato una netta divisione nelle prestazioni. Gli scaffold realizzati in gelatina pura erano eccellenti nel mantenere i follicoli al sicuro e stabili. Quasi tutti i follicoli posti su questi scaffold rimanevano attaccati e mantenevano la loro integrità strutturale, il che significa che gli strati protettivi attorno all'uovo non si rompevano. La gelatina incoraggiava anche le cellule di supporto circostanti a migrare sullo scaffold e ad avvolgere il follicolo, creando un'unità forte e integrata. Al contrario, i follicoli sugli scaffold di puro UF-PLG si sono comportati male. La maggior parte di essi è caduta completamente dalla struttura e quelli che sono rimasti spesso si sono rotti, perdendo il loro guscio protettivo. Gli scaffold ibridi, che combinavano i due materiali, hanno mostrato una via di mezzo per quanto riguarda l'attaccamento, ma hanno offerto un vantaggio sorprendente per la crescita.

Sebbene gli scaffold di gelatina fossero i migliori nel mantenere i follicoli in posizione, non erano i migliori nell'aiutare l'uovo all'interno a raggiungere la piena dimensione. I ricercatori hanno misurato il diametro delle uova per vedere se raggiungevano una dimensione che indica che sono pronte per essere fecondate, un parametro noto come competenza dello sviluppo. Nei topi, un uovo deve raggiungere un diametro di circa 70-72 micrometri per essere considerato competente. Le uova sugli scaffold di gelatina sono cresciute, ma rimanevano più piccole di questo obiettivo. Tuttavia, le uova sugli scaffold ibridi di UF-PLG-gel sono cresciute più grandi del parametro di riferimento, raggiungendo un diametro medio di 75,6 micrometri. Ciò suggerisce che, mentre la gelatina era migliore nel mantenere il follicolo intatto, il materiale ibrido forniva un ambiente che permetteva all'uovo di espandersi più liberamente.

I ricercatori hanno anche testato se rendere gli scaffold più rigidi cambiasse il risultato. Hanno aumentato l'entità della reticolazione chimica, che agisce come una colla per indurire il materiale, e hanno scoperto che questo rendeva gli scaffold di gelatina significativamente più rigidi. Tuttavia, questo cambiamento nella rigidità non ha alterato drasticamente il modo in cui i follicoli si attaccavano o quanto crescessero le uova. Le differenze tra i materiali stessi erano molto più importanti delle differenze nel modo in cui erano duri. Questa scoperta suggerisce che la natura chimica del materiale, piuttosto che solo la sua durezza fisica, sia il principale motore del comportamento del follicolo.

Questi risultati indicano un nuovo modo di pensare alla costruzione di organi artificiali. Per molto tempo, gli scienziati speravano di trovare un singolo materiale che potesse fare tutto perfettamente: tenere il tessuto in modo sicuro e aiutarlo a crescere fino alla maturità. Questo studio suggerisce che un materiale del genere, "taglia unica per tutti", potrebbe non esistere. Invece, le necessità di un follicolo per la stabilità sono diverse dalle sue necessità per la crescita. La gelatina forniva la stabilità necessaria per mantenere intatta la struttura, mentre la componente UF-PLG sembrava offrire lo spazio o i segnali necessari affinché l'uovo raggiungesse il suo pieno potenziale. Ciò implica che le ovaie bioprotetiche più efficaci del futuro potrebbero dover essere costruite con materiali multipli, disposti con cura per fornire una casa sicura al follicolo e, contemporaneamente, offrire un ambiente permissivo per la maturazione dell'uovo. Comprendendo che diverse fasi di sviluppo richiedono diversi ambienti fisici, gli scienziati possono avvicinarsi alla creazione di una soluzione affidabile per ripristinare la fertilità a coloro che l'hanno persa a causa del cancro.