Monodirectional and 3D organoids for Spinal Cord Injury : a topological and immunohistochemical comparison of in vitro temporal maturation

SCI is a neurological debilitating condition with an high incidence rate among the general population, approximately 250 to 500 thousand people per year. Following the traumatic event, it leads to a seemingly irreversible cascade of biochemical events: primary injury, followed by a secondary one in which diverse but complementary events exacerbate the overall condition, such as excitotoxicity (due to excessive Glutamate), ionic imbalance, vascular leakage and so on. This leads, in the end, to a chronic inflammatory state and, in the worst cases, to different degrees of locomotor hindrances. Although the mechanisms are now being unveiled more clearly than in the past and more light is shed on singular pathways, no standard treatment has yet been demonstrated to be successful and to clearly reflect into clinical recovery. That is why combinatorial approaches, namely combined treatments of different kinds, have now begun to be addressed as potential future solutions to the problem. Here is presented an innovative combinatorial therapy, employing SAPs (HYDROSAP in particular) in the form of implantable biocompatible and reabsorbable microchannels. These nanostructured materials have been studied thoroughly in vitro, analysing the specific topology (employing a SEM) and the cellular behaviour (through immunohistochemical studies) over time. Specific analyses on the processes induced orientation and cellular density distribution have been addressed too. All these results have been quantitatively compared to 3D organoids, namely three dimensional cellular-seeded tissutal-mimicking structures made of HYDROSAP, used as control groups to highlight any substantial differences in growth. Key aspects regarding axonal orientation and cellular differentiation over time have been identified as preliminary results: the cellular population inside the microchannels shows a directional growth, parallel to the guide orientation, with a progressive growth and maturation towards specific phenotypes as the weeks pass. This work may serve to pose solid bases for further advancements in the field, highlighting key aspects in the regeneration inside these monodirectional nanostructured prostheses.

La lesione al midollo spinale (SCI) è una condizione neurologica debilitante con un’alta incidenza tra la popolazione, da 250 a 500 mila persone l’anno circa. A seguito dell’evento scatenante di origine traumatica, essa si evolve verso una cascata apparentemente irreversibile di eventi biochimici: un danno primario, seguito da uno secondario in cui eventi diversi ma complementari peggiorano la condizione, come ad esempio eccitotossicità (dovuto ad un eccesso di Glutammato), sbilanciamento ionico, rottura vascolare e così via. Questo porta, alla fine, ad uno stato infiammatorio cronico e, nei casi peggiori, a diversi gradi di impedimento motorio. Anche se i meccanismi chiave sono più chiari che nel passato, nessun trattamento ordinario si è dimostrato efficace e realmente applicabile per un recupero clinico. Ed è per questo che i trattamenti combinati, cioè trattamenti che uniscono terapie di diversa tipologia, sono stati progressivamente considerati possibili soluzioni future al problema. Qui viene presentato un approccio innovativo, che utilizza i SAP (in particolare, HYDROSAP) nella forma di microguide biocompatibili e bioriassorbibili. Questi materiali nanostrutturati sono stati poi studiati accuratamente in vitro, analizzandone la topologia specifica (usando un SEM) e il comportamento cellulare (tramite analisi immunoistochimiche) nel tempo. Sono state fatte anche analisi specifiche sull’orientamento indotto dei processi e la densità cellulare. Tutti questi risultati sono stati poi rapportati a quelli di organoidi 3D, cioè strutture cellulari tridimensionali fatte di HYDROSAP che mimano il tessuto desiderato, usati come gruppo di controllo per evidenziare differenze sostanziali nella crescita. Sono stati evidenziati aspetti chiave riguardanti l’orientamento assonale e il differenziamento cellulare: la popolazione cellulare dentro i micro-canali mostra una crescita direzionata, parallela all’orientamento della guida, assieme ad una progressiva crescita e maturazione verso fenotipi specifici nel tempo. Questo lavoro di tesi può porre le basi per successivi sviluppi nel campo, andando ad evidenziare aspetti chiave della rigenerazione in protesi nanostrutturate monodirezionate.