Bozzolo del baco da seta.

Innovazione

Dalla natura materiali per la medicina

Il progetto REMIX è stato selezionato dalla Commissione europea tra le sue Success stories

30 settembre 2020
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di Antonella Motta e Luca Penasa
A. Motta è professoressa del Dipartimento Ingegneria industriale (DII) di UniTrento e Principal Investigator del progetto REMIX; L. Penasa è assistente coordinatore di progetto al DII e contact person del progetto REMIX.

Sono poche le persone che, contemplando meravigliate il continuo masticare dei bachi da seta, penserebbero di trovarsi di fronte al futuro della medicina. E sono poche anche quelle che, avendo l'occasione di fissare un cammello dritto negli occhi, penserebbero di essere di fronte a una potenziale nuova terapia. Non preoccupatevi: non ci sono crudeltà sugli animali in quello che stiamo per descrivere, e il placido cammello non verrà sacrificato per il progresso della scienza. Tutt'altro.

I materiali di origine naturale sono al centro di un numero crescente di progetti di ricerca nell'ambito della medicina rigenerativa e dell'ingegneria dei tessuti (Tissue Engineering and Regenerative Medicine, TERM), un settore delle biotecnologie che mira a scoprire nuovi metodi di trattamento basati sul potenziamento della naturale capacità rigenerativa dei tessuti umani. Il corpo umano, si sa, è in grado di curarsi da solo e di rigenerare parti che sono state lesionate (pensate alla pelle). Lo scopo della medicina rigenerativa e dell'ingegneria dei tessuti è aiutare il corpo in questo processo anche in situazioni complesse che coinvolgono organi, tessuti come le cartilagini oppure ossa, gravemente danneggiati da traumi o malattie, per cui al momento non esistono cure o per cui si può ricorrere a trapianti allogenici o protesi – un metodo che non garantisce un successo al 100%.

Come entrano i bachi da seta e i cammelli in questo quadro?

Il processo di avvio della rigenerazione di tessuti umani complessi richiede un'ampia serie di elementi tra cui scaffold (supporti) – strutture biodegradabili tridimensionali che costituiscono l'architettura temporanea attiva che innesca e guida la rigenerazione – cellule, che hanno la capacità di ricostruire tessuti e organi (in genere, ma non necessariamente, si tratta di cellule staminali prelevate dal paziente per eliminare il rischio di rigetto) e che vengono inserite nei supporti, e fattori di crescita, che aiutano queste cellule a crescere e lavorare in modo opportuno. 

Gli scaffold sono strutture estremamente complesse che mimano la matrice extracellulare in cui vivono le cellule nell'organismo, in particolare la capacità di interagire con le cellule, che le aiuta a riparare il tessuto danneggiato. Devono essere prodotti in laboratorio secondo specificazioni molto articolate che variano a seconda del sito in cui devono essere impiantati. Per esempio, uno scaffold con proprietà meccaniche robuste è auspicabile per un impianto osseo, mentre ne è preferibile uno morbido per rigenerare un tessuto molle come quello dei reni o del cervello. Un'altra caratteristica fondamentale degli scaffold è che devono essere biodegradabili e dissolversi una volta che le cellule che sostengono hanno terminato il processo di rigenerazione dei tessuti.

Questa complessità di condizioni da soddisfare nella produzione degli scaffold ha spinto i ricercatori verso materiali di origine naturale, che sono candidati ideali come materie prime perché sono ecologici, degradabili, dotati di capacità di cross-talk con le cellule, che li rende più compatibili con il nostro corpo e attivi nel dare sostegno all'attività cellulare, più delle leghe metalliche o dei polimeri sintetici utilizzati nella maggior parte delle protesi o presenti sul mercato.

E questo è esattamente ciò di cui si è occupato REMIX (Regenerative Medicine Innovation Crossing), un progetto quadriennale Horizon 2020: isolare e studiare questi materiali sostenibili, sviluppare metodi di produzione per la realizzazione di supporti e verificarne la capacità di stimolare la rigenerazione cellulare in modelli in vitro. Oltre alle proteine della seta e alla cheratina, il progetto di ricerca studia anche polimeri derivati da organismi marini come le meduse o le seppie e il collagene estratto dai residui dell'industria alimentare: le materie prime necessarie non sono altro che, ad esempio, pelo di cammello e seta (da scarti dell’industria tessile), bozzoli abbandonati dai bachi da seta mutati in farfalle, o i carapaci dei granchi (scarti alimentari). Una catena di approvvigionamento a basso costo che sostiene la ricerca e aiuta anche l'economia circolare.

REMIX è un progetto internazionale congiunto del Dipartimento di Ingegneria Industriale in collaborazione con il 3Bs Institute dell'Università di Minho (Portogallo), l'Università di Scienze e tecnologia della Mongolia (Mongolia), la Chulalongkorn University (Tailandia) e la Jeonbuk National University (Corea del Sud). Queste istituzioni si scambiano ricercatori e ricercatrici e studenti di dottorato da tre anni, nel tentativo non solo di promuovere la ricerca ma anche di condividere e diffondere il sapere di ciascuna università. Il progetto finora ha raggiunto ottimi risultati ed è stato apprezzato anche dalla Commissione europea, che lo ha selezionato tra le sue Success Stories. Il 2 settembre 2020 l'Unione europea ha approvato un nuovo progetto per prolungare la ricerca di REMIX per 4 anni; si chiama SHIFT e partirà all'inizio del 2021. Il progetto sarà focalizzato su aspetti traslazionali di prodotti per la medicina a base di polimeri sostenibili e prodotti secondo processi compatibili con l’ambiente. 

Quindi, la prossima volta che vi imbattete in un cammello o che vi capita di vedere qualche baco da seta, siate loro grati per il loro contributo al miglioramento delle terapie mediche.

[Traduzione Paola Bonadiman]


Natural materials help heal the body
The REMIX project has been selected by the European Commission as one of its success stories

by Antonella Motta and Luca Penasa
A. Motta is professor at the Department of Industrial Engineering (DII) of UniTrento and Principal Investigator of the REMIX project; L. Penasa is project coordinator assistant at DII and contact person of the REMIX project.

Few people who stand in awe contemplating the never-ending munching of silkworms would think they might be facing the future of medicine. Few people who get the chance to stare directly into the eyes of a camel would think they are glancing at a potential new medical treatment. Rest assured: there is nothing cruel in what we are going to describe and this peaceful-looking camel is not going to be harmed for the advance of science. Quite the contrary.

Natural-origin materials have become the center of interest of a growing number of research studies focusing on Tissue Engineering and Regenerative Medicine (TERM), which is a branch of biotechnologies that aims to discover new treatment methods based on the enhancement of the natural regenerative capacity of human tissues. We all know that our body has a self-healing capacity and can regrow some parts of it that are damaged by trauma (think of your skin). The purpose of TERM is to help the body do so also in those complex situations, for example when organs, tissues like cartilage or bones are damaged by extensive trauma or disease, for which at present there is no treatment or which can only be treated by allogenic transplants or prosthesis implantation – a treatment method which cannot guarantee a 100% success rate.

Where do camels and silkworm enter in the picture?

The process of prompting the regeneration of complex human tissues requires a large set of items such as scaffolds – 3D, biodegradable structures that constitute the temporary active ‘architecture’ triggering and driving the regeneration – cells, that have the capacity to rebuilt tissues and organs (usually, but not necessarily, stem cells, harvested from the patient to eliminate the risk of rejection) that are included on the scaffolds, and growth factors, that help these cells thrive.

Scaffolds are extremely complex structures that mimic the extra-cellular matrix where cells live inside the body, in particular the ability to cross-talk with cells so helping them to heal the damaged tissue. They must be fabricated in the lab according to very detailed specifications, that vary depending on the site of the body where they will be implanted. For instance, a scaffold with strong mechanical properties is desirable in a bone context, whereas a soft one is preferred when regenerating a soft tissue such as the kidney or brain. Another crucial feature of scaffolds is that they need to be biodegradable and “wash away” once the cells they support have completed the tissue regeneration process.

Researchers have found that natural-origin materials represent ideal candidates as raw materials for the fabrication of scaffolds, because they satisfy this complex set of requirements and because they are “green” materials, degradable, and able to cross-talk with cells, which makes them friendlier to our body and active in supporting cell activity, more than metal alloys or synthetic polymers used in most prosthetics on the market.

This is precisely what the REMIX (Regenerative Medicine Innovation Crossing) project, a 4-year Horizon 2020 project, has been doing: isolating and studying these sustainable materials, developing fabrication methods to produce scaffolds and testing their capacity to stimulate regeneration in in vitro models. In addition to silk proteins and keratin, the project explores polymers derived from marine organisms like jellyfish and cuttlefish and collagen from food industry waste: all raw materials needed is some fluffs of camel hair and silk discarded shells by textile industries, cocoons left behind by silkworms turned-into butterflies, or crabs’ carapaces from food waste. A low-cost supply chain which helps research and the circular economy as well.

REMIX is a joint, international endeavor by the Department of Industrial Engineering in partnership with the 3Bs Institute from the University of Minho (Portugal), the Mongolian University of Science and Technology (Mongolia), Chulalongkorn University (Thailand) and Jeonbuk National University (South Korea). These institutions have been exchanging researchers and PhDs for the past three years, in an attempt not only to foster the research but to share and circulate the expertise of each university. The project has so far been successful and has received praise from the EU Commission, that has selected it as one of its Success Stories. On 2 September 2020 the EU approved a new project to extend the research of REMIX for 4 years. The project is called SHIFT, is scheduled to commence at the beginning of 2021 and will be focused on translational aspect of medical products based on sustainable material and green processing methods.

So next time you run into a camel or see some silkworms, make sure you give thanks for the contribution they are making for the improvement of our medical treatments.