Cellule staminali nella guarigione delle ferite con matrice di collagene come vettore

Le ferite sono un problema diffuso in tutto il mondo. Da uno scopo pratico, le ferite sono divise in acute e croniche. La gestione della ferita acuta dipende dalla quantità e dal tipo di distruzione tissutale. Pertanto, le ferite acute potrebbero essere ulteriormente suddivise in ferite semplici in cui manca solo la pelle e ferite complesse in cui sono coinvolte alcune strutture sottostanti. Le ferite complesse possono richiedere un lembo libero se i letti della ferita sono scarsamente vascolarizzati, devascolarizzati o il tessuto sottostante non accetterebbe l'innesto cutaneo o la matrice extracellulare di derivazione biologica (BDEM). Le ferite semplici, invece, sarebbero state trattate in passato con innesto cutaneo o con lembo locale quando fattibile. Queste strategie di gestione risultano comunemente inaccettabili esteticamente e/o funzionalmente (ad es. contrattura, ferita instabile) e spesso richiedono una ricostruzione secondaria.

La seconda classe di ferite è le ferite croniche. Le ferite croniche si verificano ogni volta che il processo riparativo normalmente ben orchestrato non procede in modo sequenziale e tempestivo dall'emostasi e dall'infiammazione, attraverso la proliferazione fino al rimodellamento. Il processo è necessariamente complicato e può essere ritardato da molti fattori intrinseci ed estrinseci lungo il percorso (1). Le ferite acute e croniche rappresentano un onere significativo per i pazienti, gli operatori sanitari e il sistema sanitario, interessando più di 15,5 milioni di pazienti e costando circa 500 miliardi di dollari all'anno (2-3). In base alla loro patogenesi, esistono quattro tipi principali di ferite croniche: ulcere venose, ulcere diabetiche, ulcere arteriose ischemiche e ulcere da pressione.

1. Le ulcere venose di solito si verificano nelle gambe, rappresentano la maggior parte delle ferite e spesso colpiscono gli anziani con una precedente storia di trombosi venosa profonda (TVP). Le ulcere si formano alla fine, quando le cellule non possono mantenere il tasso di degradazione.
2. Le ulcere diabetiche sono osservate nei pazienti diabetici che stanno sviluppando ulcere per diversi motivi. La neuropatia e la microangiopatia sono abbastanza comuni e questi cambiamenti, insieme a una ridotta immunità, creano la tempesta perfetta per la rottura dei tessuti negli arti inferiori. A causa di tutti questi fattori, esacerbati da una cicatrizzazione compromessa, anche i più piccoli tagli o lividi possono infettarsi pericolosamente.
3. PAD, è un termine che copre una serie di problemi medici causati dall'ostruzione delle grandi arterie nelle braccia o nelle gambe. Nella forma avanzata di PAD, può verificarsi ischemia critica degli arti inferiori (CLI), che è una delle principali cause di amputazioni degli arti inferiori. La Angiogenesis Foundation stima che 1,4 milioni di persone negli Stati Uniti soffrano di CLI, con una stima di 350.876 nuovi casi diagnosticati ogni anno (2).
4. Le ulcere da decubito costituiscono il quarto tipo principale di ferite. Questi si verificano in genere nelle persone che sono costrette a letto o la cui mobilità è gravemente limitata. Sono causati da una perdita di circolazione sanguigna che si verifica quando la pressione sul tessuto è maggiore della pressione di perfusione nei capillari, interrompendo così la circolazione, rendendo il tessuto ischemico. La combinazione di anestesia e paralisi è un potente induttore della rottura dei tessuti. I dati delle unità del midollo spinale presso i Veterans Affairs Medical Centers mostrano una prevalenza e un'incidenza allarmanti di ulcere da pressione nei giovani soldati paralizzati da lesioni del midollo spinale.

Negli ultimi decenni, sono stati fatti pochi miglioramenti nella riduzione della morbilità e della disabilità da ferite croniche (3). Il miglior trattamento disponibile per le ferite croniche raggiunge solo un tasso di guarigione del 50% che è spesso temporaneo, con un tasso di recidiva inaccettabilmente alto. Tra i molti fattori che contribuiscono allo "stallo" dei processi di guarigione delle ferite, la compromissione della produzione di citochine da parte delle cellule infiammatorie locali e dei fibroblasti e la ridotta angiogenesi sono problemi cruciali (4).

L'introduzione dei BDEM ha migliorato significativamente la cura delle ferite nel corso degli anni. Il BDEM più comunemente usato è una matrice di collagene di derivazione bovina. Questa matrice di collagene bovino è un dispositivo approvato dalla FDA per la cura delle ferite composto da una matrice porosa di collagene tendineo bovino reticolato e glicosaminoglicano e un polisilossano semipermeabile (strato di silicone). La matrice biodegradabile di collagene-glicosaminoglicano fornisce un'impalcatura per l'invasione cellulare e la crescita capillare (5). L'uso della matrice di collagene bovino può migliorare i risultati estetici e funzionali in ferite complesse con difetti cutanei a tutto spessore ed esposizione della struttura sottostante come muscoli, tendini, vasi o nervi. Nonostante il suo beneficio clinico, esiste un problema significativo a causa del lungo periodo richiesto per la vascolarizzazione e la rigenerazione, che richiede 3 settimane secondo il produttore. Di conseguenza, questo non solo aumenta il costo della gestione delle ferite, ma diminuisce anche il potenziale di reddito e la qualità della vita.

Con l'avanzare della ricerca nel campo della cura delle ferite, la terapia con cellule staminali sta emergendo come un approccio promettente per il trattamento delle ferite acute e croniche. È ormai noto che le cellule staminali derivate dal midollo osseo (BMSC) sono cellule staminali multipotenziali in grado di differenziarsi in numerosi tipi di cellule tra cui fibroblasti, muscoli, cervello e cartilagine (6). Tra le cellule trovate nelle BMSC c'è un gruppo chiamato cellule staminali mesenchimali (MSC). Le MSC sono cellule stromali che sono state tenute di riserva con la capacità di auto-rinnovarsi e presentano anche una differenziazione multilineare. Le MSC si trovano anche nei tessuti fetali e adulti e sono state isolate da cordone ombelicale, polipi endometriali, tessuto adiposo e sangue mestruale. Poiché sono prontamente disponibili per la raccolta da vari tessuti, le MSC sono una scelta interessante nelle applicazioni cliniche sperimentali e possibili.

Recenti osservazioni cliniche e studi su piccole dimensioni del campione riportano una guarigione accelerata in ferite difficili mediante applicazioni topiche e regionali di preparazioni di cellule mononucleari da midollo osseo autologo. Nel modello di ratto, l'applicazione di BMSC sistemiche e locali ha portato a una migliore guarigione della ferita attraverso una maggiore resistenza alla trazione della ferita, un aumento del collagene e una maturazione più rapida della ferita (7). Tuttavia, il prelievo di midollo osseo è doloroso, a volte richiede l'anestesia generale e talvolta non è fattibile a causa dello stato debilitato dei pazienti. Pertanto, è estremamente desiderabile utilizzare cellule staminali mesenchimali allogeniche disponibili in commercio, disponibili in commercio.

NuCel (NutechMedical, Birmingham, AL USA) è un allotrapianto approvato dalla FDA contenente MSC derivate da amnios umani e liquido amniotico ed è attualmente utilizzato in diversi contesti clinici, tra cui chirurgia ortopedica e neurochirurgia come innesti. È stato riportato che le MSC derivate dall'amnione hanno elevate proprietà di trans-differenziazione e angio-vasculogeniche (8). Le cellule staminali NuCel sono immuni privilegiate in quanto non esprimono il complesso maggiore di istocompatibilità di classe II e hanno un'espressione inferiore di MHC di classe I rispetto alle cellule staminali derivate dal midollo osseo adulto. NuCel contiene cinque tipi di collagene e fibronectina che sono fattori coinvolti nel processo di guarigione delle ferite. Inoltre, sono meno controversi dal punto di vista etico a causa dell'abbondanza di placenta di scarto.

Numerosi studi hanno dimostrato che le cellule staminali pluripotenti possono aumentare e accelerare la vascolarizzazione del BDEM e ridurre significativamente il tempo di maturazione del BDEM (6-8). Di conseguenza, esiste il potenziale per questa applicazione di ridurre il costo della gestione delle ferite e aumentare la qualità della vita.

In sintesi, proponiamo di testare definitivamente la sicurezza e l'efficacia di tali MSC allogeniche, NuCel, nel promuovere la guarigione delle ferite acute e croniche. NuCel è costituito da una classe speciale di cellule staminali umane che hanno la capacità di esprimere una gamma di proteine ​​terapeuticamente rilevanti e altri fattori, oltre a formare più tipi di cellule. Proponiamo che uno studio pilota sia condotto presso la Georgia Regents University. Si tratta di uno studio prospettico, randomizzato e controllato con l'obiettivo di generare prove di livello I e II sull'efficacia delle cellule staminali amniotiche utilizzando una matrice di collagene come vettore per migliorare la guarigione delle ferite.

L'obiettivo e il design dell'attuale proposta è stabilire un protocollo pratico che abbia il potenziale non solo per accelerare la traduzione dei progressi nella conoscenza in nuovi standard di cura per la gestione delle ferite, ma sia anche sicuro, approvato dalla FDA e accessibile a buon mercato per affrontare alcune delle esigenze più urgenti nel campo odierno della guarigione delle ferite. L'obiettivo principale dell'attuale proposta è utilizzare le MSC amniotiche per accelerare la maturazione e l'integrazione della matrice di collagene nel letto della ferita e ridurre il tempo totale necessario per la guarigione della ferita. Ciò può potenzialmente comportare un risparmio di centinaia di milioni di dollari per il sistema sanitario. Il risultato di questa proposta accelererà la traduzione di maggiori capacità mediche ai pazienti utilizzando un intervento nuovo, sicuro e creativo.