Muscoli ingegnerizzati per collegare le protesi ai nervi: come funziona lo studio italiano

Un muscolo costruito in laboratorio, impiantato attorno a un nervo e “risvegliato” dall’esterno con gli ultrasuoni. È la tecnologia sviluppata da un gruppo di ricerca italiano guidato dalla Scuola Superiore Sant’Anna di Pisa per collegare in modo più naturale le protesi al sistema nervoso di chi ha subito un’amputazione. Nei ratti il neo-muscolo ha prodotto segnali elettrici fino a 3,2 millivolt, favorendo anche la rigenerazione del nervo. Siamo ancora in fase preclinica, ma la strada verso protesi più intuitive potrebbe passare da qui.

di Lavinia Giganti | Giornalista | Dossier Salute

In sintesi

• Lo studio, pubblicato su Bioactive Materials, è firmato da Scuola Sant’Anna, IIT, Istituto Ortopedico Rizzoli e Centro Protesi INAIL.
• I ricercatori hanno creato un muscolo ingegnerizzato con mioblasti, un idrogel di fibrinogeno e nanoparticelle piezoelettriche di titanato di bario.
• Impiantato attorno al nervo peroneo di ratti per due mesi e stimolato con ultrasuoni a bassa intensità, ha generato segnali fino a 3,2 mV.
• È la prima interfaccia neurale periferica rigenerativa (RPNI) realizzata con l’ingegneria tissutale e collegata a un nervo.
• L’obiettivo è sostituire gli autoinnesti muscolari usati oggi, evitando di prelevare muscolo sano dal paziente.

Il problema: far “parlare” i nervi con la protesi

Dopo un’amputazione, i nervi che controllavano l’arto non scompaiono. Continuano infatti a trasmettere i comandi del cervello, ma non hanno più un muscolo a cui consegnarli. I segnali nervosi, però, sono molto deboli e difficili da captare direttamente. Per questo le protesi mioelettriche più diffuse leggono l’attività dei muscoli residui del moncone, che offrono un numero limitato di comandi.

Negli ultimi anni si sono affermate le interfacce neurali periferiche rigenerative, note con la sigla inglese RPNI. La tecnica, sviluppata soprattutto all’Università del Michigan, consiste nel fissare l’estremità del nervo a un piccolo frammento di muscolo prelevato dal paziente. Nel giro di circa tre mesi il muscolo si rivascolarizza e viene reinnervato. Di conseguenza diventa un “amplificatore biologico” che trasforma l’impulso nervoso in un segnale elettrico ben misurabile.

I risultati clinici sono incoraggianti. Nel 2020 uno studio su Science Translational Medicine ha mostrato che quattro persone con amputazione dell’arto superiore riuscivano a muovere singole dita di una mano robotica grazie alle RPNI. Inoltre l’interfaccia ha funzionato fino a 300 giorni senza ricalibrazioni. Tuttavia il metodo ha un limite: richiede di prelevare muscolo sano in un’altra parte del corpo. Gli innesti, poi, non possono essere troppo grandi, perché rischiano di non ricevere abbastanza sangue e di andare incontro a necrosi.

Come è fatto il neo-muscolo italiano

Il gruppo coordinato da Leonardo Ricotti, responsabile del Regenerative Technologies Lab della Scuola Sant’Anna, ha provato a eliminare il prelievo. Lo studio, con primo autore Lorenzo Vannozzi, coinvolge anche l’Istituto Italiano di Tecnologia, l’Istituto Ortopedico Rizzoli di Bologna e il Centro Protesi INAIL di Vigorso di Budrio. L’idea è costruire in laboratorio il muscolo che fa da ponte, anziché prenderlo dal paziente.

Il costrutto nasce da mioblasti, le cellule progenitrici del tessuto muscolare, inglobati in un idrogel a base di fibrinogeno. Questo gel è a sua volta fissato su una membrana chirurgica riassorbibile, che rende il tessuto maneggevole in sala operatoria. In coltura, i mioblasti si allineano e si fondono formando miotubi multinucleati, cioè le prime fibre muscolari.

La vera novità, però, sta nelle nanoparticelle di titanato di bario, di circa 60 nanometri, aggiunte al gel. Si tratta di un materiale piezoelettrico: quando viene deformato meccanicamente, genera piccole cariche elettriche. Le cellule muscolari in sviluppo assorbono queste particelle al loro interno. In questo modo il tessuto può essere stimolato elettricamente “a distanza”, senza fili né elettrodi.

A fornire la sollecitazione meccanica sono gli ultrasuoni pulsati a bassa intensità (LIPUS), una tecnica non invasiva già impiegata in medicina, per esempio in ortopedia. Secondo i calcoli degli autori, ogni nanoparticella colpita dagli ultrasuoni può generare localmente una tensione di circa 35 microvolt. È un valore minimo, ma compatibile con piccole perturbazioni elettriche su scala cellulare.

I risultati sui ratti: segnali fino a 3,2 millivolt

Per la fase sperimentale, i ricercatori hanno avvolto due costrutti attorno all’estremità del nervo peroneo di ratti, in modo che il moncone nervoso restasse al centro. La tecnica chirurgica era stata messa a punto in precedenza su un braccio umano da cadavere. Gli animali sono stati seguiti per due mesi e una parte degli impianti è stata stimolata con ultrasuoni applicati dall’esterno.

Al termine, stimolando elettricamente il nervo, il neo-muscolo ha prodotto segnali mioelettrici fino a 3,2 millivolt. I campioni trattati con ultrasuoni mostravano un’attività elettrica nettamente superiore rispetto a quelli non stimolati. Per confronto, un precedente tentativo di RPNI ingegnerizzata, basato su una rete di silicone, aveva registrato segnali dell’ordine di poche decine di microvolt, pur in condizioni sperimentali diverse.

Le analisi istologiche hanno confermato una migliore organizzazione del tessuto e una maggiore presenza di desmina, una proteina tipica delle fibre muscolari mature. Inoltre sono comparsi nuovi vasi sanguigni e segni di rigenerazione degli assoni. In particolare, gli ultrasuoni hanno favorito la formazione di fibre nervose mielinizzate di diametro maggiore. La crescita dei vasi, invece, sembra dipendere soprattutto dalla composizione dell’idrogel.

Gli impianti non hanno causato segni evidenti di infiammazione locale né effetti avversi generali. Complessivamente, secondo gli autori, si tratta della prima dimostrazione di un’interfaccia rigenerativa piezoelettrica attivata dagli ultrasuoni, capace di far maturare il muscolo e di generare risposte elettriche nell’animale vivo.

I limiti dello studio e la strada verso l’uomo

Gli stessi ricercatori riconoscono diversi limiti. Anzitutto, lo studio non dimostra direttamente che le nanoparticelle producano cariche elettriche all’interno dell’organismo: il meccanismo è dedotto da prove indirette e modelli teorici. Inoltre mancava un gruppo di controllo trattato con ultrasuoni ma senza nanoparticelle. Di conseguenza non è possibile separare del tutto l’effetto degli ultrasuoni da quello del materiale piezoelettrico.

Anche i segnali registrati richiedono cautela. La parte iniziale è compatibile con una vera attivazione muscolare, ma la coda del segnale potrebbe includere contributi passivi legati agli elettrodi. Le misure, poi, sono state eseguite in anestesia profonda, e le analisi istologiche hanno riguardato pochi campioni. Serviranno quindi confronti diretti con le RPNI tradizionali, misure della forza muscolare e studi su gruppi più ampi.

La traduzione clinica resta dunque lontana. «La sfida successiva è trasferire queste tecnologie dalla ricerca alla pratica clinica», ha sottolineato Paolo Sassu, chirurgo ortopedico del Rizzoli. Secondo Emanuele Gruppioni del Centro Protesi INAIL, una rete di queste interfacce potrebbe collegare in modo stabile il sistema nervoso a protesi bioniche con molti gradi di libertà.

Per le persone con amputazione, il vantaggio potenziale sarebbe doppio. Da un lato, un controllo più naturale e intuitivo dell’arto artificiale. Dall’altro, un intervento senza prelievo di muscolo sano, più standardizzabile e adattabile a diverse situazioni. Le RPNI, infine, sono studiate anche per prevenire i neuromi, ispessimenti del nervo che possono diventare dolorosi dopo un’amputazione.

Illustrazione/visual generata con AI a scopo illustrativo. Le informazioni contenute in questo articolo sono tratte da fonti autorevoli e hanno finalità divulgativa: non sostituiscono in alcun caso il parere del medico.

Domande frequenti (FAQ)