Innovative regeneration strategies: the hydrogel – stem cell approach to spinal cord repair

Spinal cord injury (SCI) represents a devastating neurological condition characterized by irreversible loss of motor, sensory, and autonomic functions, for which no fully effective therapeutic strategy is currently available. The complexity of SCI pathophysiology, involving acute and chronic inflammatory cascades, glial scar formation, and limited intrinsic regenerative capacity of the central nervous system, has prompted the development of advanced regenerative approaches combining biomaterials and cell-based therapies. In this doctoral work, innovative hydrogel-based strategies were developed and optimized for spinal cord repair, with a specific focus on clinical translatability. The research was structured around two main objectives. The first (Regenera project) aimed at designing a biocompatible, scalable, and clinically compliant hydrogel scaffold capable of supporting autologous stromal vascular fraction (SVF) cells derived from adipose tissue. To overcome limitations associated with cell-mediated extracellular matrix (ECM) deposition, alternative strategies were developed to reproduce ECM-like properties without biological coatings, improving manufacturing regulatory compliance, standardization, and scalability. Furthermore, a multilayered thin-film hydrogel architecture (Spinosave®) was designed to enhance geometric control, homogeneous cell distribution, and translational feasibility. The resulting platform demonstrated good biocompatibility and promising therapeutic potential in a murine model of spinal cord injury. The second objective focused on the development of electroconductive hydrogels to support neural stem cell differentiation and neural tissue regeneration. Agarose/gelatin-based hydrogels were optimized and functionalized with conductive polymers (polyaniline and polypyrrole). These systems exhibited tunable electrical conductivity, controlled release properties, and good biocompatibility, highlighting their potential as multifunctional scaffolds for neuroregenerative applications. Overall, this work provides a comprehensive framework for the rational design of hydrogel-based regenerative therapies for SCI, bridging fundamental material science with translational and regulatory considerations, and paving the way toward future clinical applications.

La lesione del midollo spinale (LMS) rappresenta una condizione neurologica devastante, caratterizzata dalla perdita irreversibile delle funzioni motorie, sensoriali e autonome, per la quale attualmente non è disponibile alcuna strategia terapeutica pienamente efficace. La complessità della fisiopatologia della LMS, che coinvolge cascate infiammatorie acute e croniche, la formazione della cicatrice gliale e la limitata capacità rigenerativa intrinseca del sistema nervoso centrale, ha stimolato lo sviluppo di approcci rigenerativi avanzati che combinano biomateriali e terapie cellulari. In questo lavoro di dottorato sono state sviluppate e ottimizzate strategie innovative basate su idrogel per la riparazione del midollo spinale, con un’attenzione specifica alla traslazionalità clinica. La ricerca è stata strutturata attorno a due obiettivi principali. Il primo (progetto Regenera) mirava alla progettazione di uno scaffold in idrogel biocompatibile, scalabile e conforme ai requisiti clinici, in grado di supportare cellule autologhe della frazione vascolare stromale (SVF) derivate dal tessuto adiposo. Per superare le limitazioni associate alla deposizione di matrice extracellulare (ECM) mediata dalle cellule, sono state sviluppate strategie alternative per riprodurre proprietà simili alla ECM senza rivestimenti biologici, migliorando la conformità regolatoria della produzione, la standardizzazione e la scalabilità. Inoltre, è stata progettata un’architettura in idrogel multistrato a film sottile (Spinosave®) per migliorare il controllo geometrico, la distribuzione cellulare omogenea e la fattibilità traslazionale. La piattaforma risultante ha dimostrato buona biocompatibilità e un promettente potenziale terapeutico in un modello murino di lesione del midollo spinale. Il secondo obiettivo mirava allo sviluppo di idrogel elettroconduttivi per supportare la differenziazione delle cellule staminali neurali e la rigenerazione del tessuto nervoso. Idrogel a base di agarosio/gelatina sono stati ottimizzati e funzionalizzati con polimeri conduttivi (polianilina e polipirrolo). Questi sistemi hanno mostrato una conducibilità elettrica modulabile, proprietà di rilascio controllato e buona biocompatibilità, evidenziando il loro potenziale come scaffold multifunzionali per applicazioni di neurorigenerazione. Nel complesso, questo lavoro fornisce un quadro completo per la progettazione razionale di terapie rigenerative basate su idrogel per la LMS, collegando la scienza dei materiali con considerazioni traslazionali e regolatorie, e aprendo la strada a future applicazioni cliniche.