Hydrogels e rigenerazione del tessuto osseo

Commento all’articolo: Hydrogels with programmed spatiotemporal mechanical cues for stem cell-assisted bone regeneration. Xue B, Xu Z, Li L, Guo K, Mi J, Wu H, Li Y, Xie C, Jin J, Xu J, Jiang C, Gu X, Qin M, Jiang Q, Cao Y, Wang W.; Nat Commun. 2025 Apr 16;16(1):3633.

Gli hydrogels (HG) sono composti tridimensionali molto utilizzati nel campo della rigenerazione tissutale basata sull’utilizzo di cellule staminali (SCs). Gli HG sono capaci di mimare le caratteristiche della matrice extracellulare (ECM)^(1-3). Le proprietà meccaniche e fisiche di questi composti possono influenzare la sopravvivenza e il differenziamento delle SCs nei diversi lineage^(4-6). Nel tessuto osseo gli HG promuovono i processi di meccanotrasduzione e guidano le SCs nel differenziamento in senso osteoblastico e condroblastico^(7-8).

Il lavoro di Xue et al. pubblicato nel 2025 sulla rivista Nature Communications, ha esplorato le proprietà meccaniche ed il ruolo di particolari HG con incapsulate SCs nella rigenerazione del tessuto osseo.

Gli HG utilizzati nello studio sono stati ottenuti attraverso la tecnica di soft-templating, che consiste in un processo di fase di separazione liquido-liquido di polietilene glicole (PEG) e destrano. In particolare, la fase di destrano risulta essere utile per la formazione di macropori. Una particolarità nella composizione di questi HG è la presenza di nanofibre proteiche che vanno a rivestire i macropori creando una sorta di guscio. Studi in vitro con le mouse embryonic osteoblast cells (MC3T3-E1) hanno dimostrato la biocompatibilità di questi composti. Gli autori hanno mostrato, inoltre, come questi HG forniscano costantemente segnali meccanici che guidano le SCs nel differenziamento in senso osteoblastico, infatti i dati di immunofluorescenza dimostrano come le MC3T3-E1 incapsulate negli HG presentino una up-regolazione di OCN (osteocalcina) e Runx2 (Runt-related transcription factor 2), suggerendo un iniziale differenziamento verso gli OBs.

Gli autori, inoltre, hanno condotto esperimenti in vivo andando a testare le potenzialità rigenerative degli HG. Nello specifico, in conigli New Zeland bianchi veniva indotto un danno a carico del condilo femorale e applicato l’HG con incapsulate le cellule staminali (rBMSCs). Dopo 12 settimane la micro-CT mostrava come i difetti ossei nel gruppo trattato con HG erano quasi completamente sostituiti da tessuto osseo. Gli stessi studi sono stati poi effettuati in animali di grossa taglia come i suini. Anche in questo caso sono stati utilizzati HG con incapsulate cellule staminali (pBMSCs). In questo caso l’analisi di micro-CT evidenziava un aumento della BV/TV, Tb.Th, Tb.N ed una riduzione della Tb.Sp.

Per testare la biocompatibilità degli HG, gli autori hanno condotto degli studi sui ratti dimostrando come a seguito dell’impianto sottocutaneo degli HG, a 10 giorni di distanza, sia le analisi istologiche che biochimiche, mostravano la presenza di una lieve risposta infiammatoria e sistemica senza alcun danno tissutale. A 42 giorni dall’impianto nei ratti non si osservava alcun cambiamento patologico. 

In sintesi il lavoro commentato suggerisce come in un futuro l’impianto di questi particolari HG con incapsulate le SCs possa rappresentare un possibile approccio per la terapia di rigenerazione del tessuto osseo.

1. Cao H, Duan L, Zhang Y, Cao J, Zhang K. Current hydrogel advances in physicochemical and biological response-driven biomedical application diversity. Signal Transduct Target Ther. 2021 Dec 16;6(1):426. doi: 10.1038/s41392-021-00830-x. PMID: 34916490; PMCID: PMC8674418.
2. Luo Y, Shoichet MS. A photolabile hydrogel for guided three-dimensional cell growth and migration. Nat Mater. 2004 Apr;3(4):249-53. doi: 10.1038/nmat1092. Epub 2004 Mar 21. PMID: 15034559.
3. Tibbitt MW, Anseth KS. Hydrogels as extracellular matrix mimics for 3D cell culture. Biotechnol Bioeng. 2009 Jul 1;103(4):655-63. doi: 10.1002/bit.22361. PMID: 19472329; PMCID: PMC2997742.
4. Chaudhuri O, Cooper-White J, Janmey PA, Mooney DJ, Shenoy VB. Effects of extracellular matrix viscoelasticity on cellular behaviour. Nature. 2020 Aug;584(7822):535-546. doi: 10.1038/s41586-020-2612-2. Epub 2020 Aug 26. PMID: 32848221; PMCID: PMC7676152.
5. Chaudhuri O, Gu L, Klumpers D, Darnell M, Bencherif SA, Weaver JC, Huebsch N, Lee HP, Lippens E, Duda GN, Mooney DJ. Hydrogels with tunable stress relaxation regulate stem cell fate and activity. Nat Mater. 2016 Mar;15(3):326-34. doi: 10.1038/nmat4489. Epub 2015 Nov 30. PMID: 26618884; PMCID: PMC4767627.
6. Xue B, Tang D, Wu X, Xu Z, Gu J, Han Y, Zhu Z, Qin M, Zou X, Wang W, Cao Y. Engineering hydrogels with homogeneous mechanical properties for controlling stem cell lineage specification. Proc Natl Acad Sci U S A. 2021 Sep 14;118(37):e2110961118. doi: 10.1073/pnas.2110961118. PMID: 34504006; PMCID: PMC8449376.
7. Huebsch N, Lippens E, Lee K, Mehta M, Koshy ST, Darnell MC, Desai RM, Madl CM, Xu M, Zhao X, Chaudhuri O, Verbeke C, Kim WS, Alim K, Mammoto A, Ingber DE, Duda GN, Mooney DJ. Matrix elasticity of void-forming hydrogels controls transplanted-stem-cell-mediated bone formation. Nat Mater. 2015 Dec;14(12):1269-77. doi: 10.1038/nmat4407. Epub 2015 Sep 14. PMID: 26366848; PMCID: PMC4654683.
8. Chatterjee K, Lin-Gibson S, Wallace WE, Parekh SH, Lee YJ, Cicerone MT, Young MF, Simon CG Jr. The effect of 3D hydrogel scaffold modulus on osteoblast differentiation and mineralization revealed by combinatorial screening. Biomaterials. 2010 Jul;31(19):5051-62. doi: 10.1016/j.biomaterials.2010.03.024. Epub 2010 Apr 7. PMID: 20378163; PMCID: PMC3125577.