Our Visit to the Center for Nanomedicine and Tissue Engineering in Milan

We were recently invited by Dr. Fabrizio Gelain  to visit the new ‘Center for Nanomedicine and Tissue Engineering’ (CNTE) located at the Niguarda Hospital in Milan, Italy.

dr. Fabrizio GelainDr. Gelain is co-director of the center and has been working on Spinal Cord Injury (SCI) research for several years. He showed us the new labs and gave us an interview to explain what his team is working on with regards to a cure for SCI.

1) Could you tell us about this new research center and the nanotechnologies that your team is working on?

“Nanotechnology is the production and/or manipulation of materials that have a dimension between 1 and 100 nano-meters; in other words 1 nano-meter = 1 millionth of a millimeter.

At the Center for Nanomedicine and Tissue Engineering (CNTE) we design, synthesize, characterize nanostructured bio-prosthesis that can be naturally absorbed by the body. Here we utilize principles of nanomedicine, physics, materials science, cellular biology and medicine to develop prosthesis implantable in living organisms to repair damaged tissues. Often nanotechnologies are only considered for creating nanoparticles for a controlled release of drugs, for some tumor therapies or for imaging techniques. Our work is dedicated to other important sections of nanomedicine. We synthesize scaffolds that may also contain cells to repair important lesions of biological tissues. We also conduct three-dimensional cell culture experiments in vitro: a more complex paradigm than 2D but much more reliable to predict results in living organisms. That allows us to reduce animal studies which is very important from an ethical point of view and it also significantly reduces time and costs of research.”

2)  How nanotechnology can be used to cure spinal cord injury (SCI)?

“In the case of severe injuries, a portion of biological tissue is lost and it becomes useful to use a scaffold rather than just a cell therapy approach as it is necessary to provide physical and biochemical guidance for endogenous tissue to make regeneration happen. At the same time a scaffold keeps in the right place transplanted cells and guides them to a proper engraftment with the host tissue. In case of SCI very often there is a formation of scar tissue and also of a cyst. In this damaged area it becomes very useful to use a scaffold. Furthermore we have the possibility to design our scaffolds at a molecular level. That allows us to control the integration of the scaffold with the biological tissue, to control the release of drugs contained in the scaffold and to transplant more accurately cells which are useful for regeneration.”

3)  What is the difference between acute SCI and chronic SCI?

“In humans SCI is considered acute in the first few days (up to few weeks) after the lesion. Then it becomes “sub-acute” and finally chronic and stable. When exactly SCI can be considered chronic is still controversial, but there is a growing consensus that SCI can be considered chronic after one year. From a pathophysiological perspective acute and chronic lesions are extremely different. Acute SCI has hematoma, damaged but still present tissue, a strong immune response etc.. Usually (except in very severe lesions such as a gunshot wound) there is still the presence of tissue structure that will be lost gradually moving toward the chronic stage. In this phase interventions have the goal to prevent the secondary damage using mechanisms of neuroprotection. After the cascade of events that starts with SCI (also known as “secondary damage”) we have the chronic lesion that has a greater loss of nerve fibres, a glial scar all around the lesion and often in humans there are also internal cavities. The cysts and the gliotic scar are a physical and chemical barrier to regeneration.  Moreover at this stage the lesion is much bigger in comparison to the acute lesion and that makes regeneration even more difficult.”

in laboratorio4)  Research on acute or chronic SCI, advantages and disadvantages: what have you chosen to focus on?

“Doing research on acute SCI is very different than doing chronic SCI research. Chronic has more hurdles; scientific, logistical and also in terms of resources. In case of acute SCI the goal is to find a cure for future patients, while in chronic SCI we try to find a cure for people that already suffer the consequences of SCI. Often both basic and clinical research focus on acute SCI as experimental paradigms are shorter (a few months instead of up to a year), costs are lower and usually lesions are less severe since the secondary damage has not yet occurred. This can lead to positive results but in very specific conditions of patients to come. We have done and published research on acute lesions to get a rapid screening of new solutions in case of multiple variables (= possible solutions) that we can change thanks to the nanotechnologies. Preliminary results in short term are essential, but for 12 years our main focus has been chronic SCI even given all the difficulties we have mentioned including longer timeframes for each experiment and much higher costs). Nonetheless we keep our mind on the real significance and translationality of results we have obtained and on the ones we hope to achieve.”

5)  What is your approach to solve the scar problem?

“The answer to this question is very complex and above all isn’t clear yet to us and to the scientific community in general. In many studies enzymes have been used to degrade essential components of the scar. This is a good approach to make the scar matrix weaker. In our case we have the necessity to have a space to insert the components of our scaffold (currently made of micro-tubes of about 200 micron in diameter) and at the moment we do a pre- treatment to weaken the scar which then needs to be partially removed surgically. Clearly this procedure is critical: the lesion has to be first studied in details using the most modern imaging techniques and then the previously weakened scar can be partially removed but leaving a safety layer of tissue to avoid damaging intact nervous tissue. Then one more treatment to weaken the scar (still using enzymes) can be done to facilitate axons to enter the implant. To be able to undertake this intervention it is essential to first do an accurate three-dimensional study of the lesion site.”

6)  In 2011 you published in ACS Nano the results of a study in which rats with chronic SCI have  shown a significant recovery. What progress has been made since then?

“We have continued to improve the approach that we used in the above mentioned study,  which was also just a starting point for the international scientific community. Indeed our results have been listed among the 5 more important recent discoveries in nanomedicine.  (Scientific American  ).

We have gone forward by improving chemical components and biological functionalities of the biomaterials and we have developed additional interventions (before and after surgery) that are essential to obtain stronger results. We have had better preliminary results, but because of the time and costs of this research we don’t have trustable results to share yet. Our general strategy consists of synergically merging the promising strategies already published by others with our discoveries (multidisciplinary approach) to develop a more complex but more promising therapy. We will keep presenting at symposia and publishing in international scientific journals our results so that they can be analyzed impartially by the scientific community and patients.”

7)  Do you collaborate with other groups of research?

“We have several national and international collaborations. In Italy the most important ones are with the Casa Sollievo della Sofferenza Hospital from S. Giovanni Rotondo with which we share many important parts of our projects and the Cell Factory of Terni. Additionally, we collaborate with the University of Milan-Bicocca, the University of Trieste and others. Internationally we have important collaborations with scientific teams at the Massachusetts Institute of Technology, the Lawrence Berkeley National Lab, the University of Alberta and the University of Florida. We remain very open to new collaborations since it is when different disciplines merge that the best results occur.  I also believe that regeneration of the spinal cord is a very complex target, well beyond a single approach.”

8)  What are the necessary steps to bring your discoveries to clinical trials?

“Before we can start clinical trials our results needs to be replicated by independent labs. Meanwhile, as I have said at the moment we are improving our approach with the goal to improve the results and make it applicable on people. Then we will need to produce our bioprostheses to standard GMP (Good Manufacture Practice) to meet the quality criteria necessary for clinical application. Lastly we will have to apply to ethical and medical authorities and do all the necessary paper work to get the authorization to conduct clinical trials.”

9)  Is there any particular obstacle?

“Unfortunately the main obstacle is the lack of funding and that is slowing down our progress. We have a tremendous potential but we proceed at a much slower speed than we could.”

10)   What economic resources are necessary to get ready for clinical trials?

“That is a very critical question; I can say that in terms of infrastructures we have made good progress in the last few years. The critical aspect at the moment is to hire more people to do the necessary research work. We will then need funding to produce GMP bioprostheses and finally to do all the paper work to get the authorization to do a phase I clinical trial. All this will require a few million Euros.”

We thank Dr. Gelain for his precious work and for giving us the opportunity to visit the center and for answering our questions.

Cure Girls Loredana and Arcangela

 

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VISITA AL NUOVO CENTRO DI NANOMEDICINA E INGEGNERIA DEI TESSUTI PRESSO L’OSPEDALE NIGUARDA DI MILANO

Qualche giorno fa siamo state invitate dal dr. Fabrizio Gelain  a visitare il nuovo Centro di Nanomedicina e Ingegneria dei Tessuti (Center for Nanomedicine and Tissue Engineering – CNTE) presso l’ospedale Niguarda Ca’Granda di Milano.

dr. Fabrizio GelainIl dr. Gelain, che è co-direttore del centro e da tempo si occupa di ricerca per la cura delle lesioni spinali, ci ha mostrato i nuovi laboratori e ci ha gentilmente concesso un’intervista per spiegarci il lavoro del suo team.

1)  Dr. Gelain, ci descrive brevemente questo nuovo centro di ricerca e in cosa consistono le nanotecnologie di cui si occupa il suo team?

“Per nanotecnologia si intende la produzione o manipolazione conscia di tutto ciò che ha almeno una delle tre dimensioni tra 1 e 100 nanometri: per rendere l’idea un nanometro è un milionesimo di millimetro.

Al “Center for Nanomedicine and Tissue Engineering” (acronimco CNTE) ci occupiamo della progettazione, sintesi e caratterizzazione di bioprotesi nanostrutturate bioriassorbibili. Utilizziamo cioè principi della nanomedicina, della fisica, della scienza dei materiali, della biologia cellulare e della medicina per sviluppare e testare protesi impiantabili negli organismi viventi, con lo scopo di ricostruire i tessuti lesionati: protesi che una volta impiantate lentamente vengono degradate dal corpo. Spesso le nanotecnologie vengono ristrette alla “sola” progettazione di nanoparticelle per il rilascio controllato di farmaci di varia natura o per terapie specifiche per il trattamento di tumori e per imaging mirato. Senza voler togliere nulla a queste applicazioni in realtà c’è molto di più, e di parte di quel di più (peraltro molto ampio) ci occupiamo noi. Da un lato abbiamo la ricostruzione di tessuti utilizzando supporti (chiamati anche “scaffold”) con eventualmente al loro interno cellule per la ricostruzione di lesioni importanti di tessuto biologico; dall’altro conduciamo sperimentazioni in vitro su colture cellulari tridimensionali, un paradigma sperimentale un po’ più complicato di quelli standard in 2D ma più affidabile in termini di predittività  dei risultati ottenuti in laboratorio rispetto a quelli negli organismi viventi. In sostanza, avendo modelli di tessuto ibrido in laboratorio che risultano essere più affidabili è possibile diminuire drasticamente la sperimentazione animale: e questa è un’ottima cosa sia dal punto di vista etico che da quello di costi, tempistiche e riproducibilità dei risultati.”

2)  Come possono essere impiegate le nanotecnologie nella cura per le lesioni spinali?

“Il principio tramite il quale è opportuno utilizzare uno scaffold e non la sola terapia cellulare è basato sul fatto che in caso di lesioni “importanti” dove vengono a mancare porzioni intere di tessuto biologico è necessario un supporto fisico in grado di guidare (sia fisicamente che biochimicamente) il tessuto endogeno a rigenerarsi ed eventualmente anche a mantenere in posizione le cellule eventualmente trapiantate, guidandone la loro integrazione con il tessuto ospitante. Nelle lesioni spinali purtroppo si vengono spesso a formare significative lesioni cicatriziali ed anche vere e proprie cisti acquose: in questo caso quindi, in tale spazio danneggiato irreparabilmente è auspicabile utilizzare degli scaffold. A questo va inoltre sommata la possibilità di progettare i nostri supporti a livello molecolare, cosa che ci consente un grado di precisione non indifferente e potenzialità non comuni. Possiamo difatti pilotare l’interazione degli scaffold con il tessuto biologico, possiamo progettare un rilascio nel tempo di farmaci provenienti dall’impianto, e possiamo trapiantare con maggior cura delle cellule utili alla rigenerazione.”

3)  Può spiegare la differenza tra una lesione acuta e una lesione cronica?

“Certamente, nell’essere umano una lesione spinale può considerarsi acuta nei primi giorni (fino a poche settimane) dalla lesione stessa, dopodiché’ essa diventa sub-acuta e cronicizza fino a diventare appunto cronica e stabile. L’inizio della fase cronica in ambito umano è piuttosto oggetto di controversie: tuttavia ha preso luogo l’ipotesi che la lesione sia cronicizzata dopo un anno dalla lesione iniziale, mentre tra le due fasi (acuta e cronica) la lesione viene considerata appunto come sub-acuta. Dal punto di vista patofisiologico i due tipi di lesione sono estremamente differenti: nel primo caso abbiamo la presenza di ematomi, versamenti e lacerazioni dovuti al trauma iniziale, una citoarchitettura danneggiata ma ancora presente, ed una forte risposta immunitaria in corso. Solitamente, a meno di lesioni traumatiche particolarmente gravi (ad es. da arma da fuoco) nelle lesioni acute si ha ancora buona parte l’impalcatura del tessuto nervoso che successivamente si andrà a perdere con il cronicizzarsi della lesione stessa ancora presente e su questo si può intervenire limitando i danni del decorso standard della lesione midollare: si puo’ andare cioè anche a salvaguardare porzioni di tessuto circostanti la lesione ed ancora funzionali sfruttando meccanismi di neuroprotezione. Dall’altra parte, a seguito di una complessa cascata di eventi riassunta col nome di danno secondario, abbiamo nella lesione cronicizzata una perdita ben maggiore di fibre nervose, la deposizione di tessuto cicatriziale tutto attorno alla lesione e spesso nell’uomo anche la formazione di cavità interne. La cisti/cicatrice gliotica così ottenute costituiscono una barriera sia fisica che chimica ad ogni tentativo di rigenerazione nervosa: a questo punto la lesione si è notevolmente ingrandita rispetto all’insulto iniziale, maggiori sezioni di tessuto sono andate perdute e quindi la rigenerazione è ancor più difficile.”

in laboratorio4)  Ricerca su lesione acuta o su lesione cronica: Che scelta avete fatto voi e perché?  Vantaggi e svantaggi.

“Fare ricerca su lesione acuta o cronica fa molta differenza, sia dal punto di vista degli ostacoli “scientifici” da dover affrontare che da quelli logistici e di risorse. Nel primo caso anzitutto vuol dire cercare una cura per i futuri pazienti, nel secondo invece vuol dire cercare di trovare una soluzione per coloro che già oggi soffrono delle nefaste conseguenze di una lesione spinale. Spesso però sia sperimentazioni cliniche che ricerche scientifiche sono orientate al primo caso: e questo perché i paradigmi sperimentali durano molto meno (alcuni mesi invece che anche un anno), i costi della sperimentazione sono più contenuti, e mediamente le lesioni sono meno gravi poiché devono ancora cronicizzarsi. Questo a volte è uno specchietto per le allodole perché vengono decantati risultati che in realtà sono validi solo in particolari condizioni…in breve per alcuni dei pazienti a venire. Anche noi abbiamo condotto e pubblicato ricerche sulle lesioni acute per avere rapidi screening di nuove soluzioni e, nel caso delle molteplici variabili (=possibili soluzioni) che possiamo cambiare grazie alle nanotecnologie, risultati preliminari in breve tempo sono indispensabili ma siamo da 12 anni  impegnati soprattutto su quelle croniche: con tutte le difficoltà sopramenzionate che ne conseguono (tempi sperimentali molto più lunghi e costi triplicati), ma soprattutto con un occhio alla reale significatività e traslazionabilità dei risultati ottenuti o ancora da ottenere.”

5)  Come pensate di risolvere il problema della cicatrice?

“La domanda è breve ma la risposta è molto complessa e soprattutto non è certa ne’ a noi ne’ alla comunità scientifica in generale. Vi sono trial clinici e un gran numero di sperimentazioni facenti uso di enzimi per la degradazione dei componenti fondamentali della cicatrice stessa: questo è un ottimo spunto mirato ad indebolire la matrice. Noi di necessità richiediamo uno spazio per poter inserire i componenti del nostro scaffold (attualmente costituito da micro-tubi di circa 200 micron di diametro), ed attualmente per fare ciò pratichiamo un pre-trattamento per indebolire la cicatrice, che poi per il momento dev’essere rimossa parzialmente per via chirurgica. Ovviamente questa è una procedura rischiosa se condotta “ciecamente”, dovrebbe risultare invece una possibilità concreta nel prossimo futuro nel momento in cui ogni singola lesione viene prima studiata nel dettaglio con le più moderne tecniche di “imaging” attualmente a disposizione e dove viene poi prevista una rimozione parziale della cicatrice preventivamente “indebolita”, lasciando comunque un margine di sicurezza (una cicatrice di cuscinetto) tra il tessuto “sano” e la parte più interna che viene invece rimossa. Successivamente un’ulteriore trattamento di indebolimento sempre tramite enzimi può essere previsto in modo da facilitare l’ingresso delle fibre nervose nell’impianto. Chiaramente in questo caso un’accurata ricostruzione tridimensionale della lesione è indispensabile per poter intervenire chirurgicamente con cognizione di causa.”

6)  Nel 2011 la rivista ACS Nano ha pubblicato i risultati di una vostra ricerca in cui siete riusciti ad ottenere un recupero funzionale significativo in ratti con lesione spinale cronica, che progressi sono stati fatti da allora?

“Abbiamo continuato a migliorare l’approccio di allora che è stato come un incipit iniziale anche per il resto della comunità scientifica internazionale. Basti pensare che tali risultati sono stati annoverati tra le 5 più importanti recenti scoperte della nanomedicina  (Scientific American).  Ci siamo spinti oltre da un lato andando a migliorare ulteriormente la componente chimica e la funzionalità biologica dei biomateriali utilizzati,  dall’altro andando a includere trattamenti aggiuntivi (pre e post-operatori) che risultano indispensabili per avere risultati ancor più convincenti. I miglioramenti riscontrati nei risultati preliminari sono già convincenti ma, purtroppo per i motivi di cui dicevo prima tra cui costi e lunghezza della sperimentazione, è preferibile che non mi sbilanci ora poiché la sperimentazione è ancora in corso. Filo conduttore nostro è comunque quello di integrare più strade o già percorse da altri o trovate da noi e fonderle in maniera sinergica in un’unica terapia complessa (e multi-disciplinare) ma dai risultati ancor più promettenti. Altra prassi ben consolidata, per correttezza sia verso la comunità scientifica sia verso chi legge questo pezzo e tutti gli eventuali futuri pazienti, è quella di comunicare e discutere solo di risultati definitivi e pubblicati in riviste scientifiche internazionali, ovvero approvati da terze parti, in modo da garantire l’imparzialità della valutazione scientifica. Noi non abbiamo ricette magiche e/o segrete.”

7)  Avete collaborazioni con altri istituti di ricerca?

“Certamente, tra le nostre collaborazioni più importanti annoveriamo l’Ospedale di Casa Sollievo della Sofferenza di San Giovanni Rotondo, con il quale condividiamo sezioni importanti dei nostri progetti, e la “Cell Factory di Terni”. Tra le altre collaborazioni rilevanti abbiamo quelle con gruppi di ricerca appartenenti al Massachusetts Institute of Technology, al Lawrence Berkeley National Lab, alla University of Alberta, all’Università di Milano-Bicocca, alla University of Florida, alla Edmonton University, all’Università di Trieste ed altri.  Siamo inoltre sempre intenzionati a collaborare con nuovi gruppi poiché, sebbene la multi-disciplinarietà del centro sia comprovata, è comunque necessario collaborare per raggiungere i massimi obiettivi possibili. Spesso invece si assiste a un rinchiudersi dentro la propria “ricetta”, che per quanto questa possa essere promettente è cosa alquanto sbagliata e limitante perché 1) spesso le intuizioni più dirompenti avvengono per l’intrecciarsi di più campi del sapere e 2) il target della rigenerazione delle lesioni spinali è estremamente complesso e ben al di sopra di un solo tipo di approccio.”

8)  Quali sono i passi necessari per arrivare a sperimentare sull’uomo le vostre scoperte scientifiche?

“Indubbiamente per arrivare alla sperimentazione clinica servono risultati da enti terzi in modo da avere comprovata la riproducibilità del nostro approccio. Noi come dicevo stiamo nel frattempo apportando ulteriori migliorie sempre nell’ottica di verificare la traslazionalità del nostro approccio in ambito clinico. Detto questo dovremo produrre le nostre bioprotesi in standard GMP per soddisfare i criteri di qualità necessari per la sperimentazione clinica. Se e solo se tutte queste fasi saranno soddisfacenti passeremo all’ultimo passaggio fondamentale, avvieremo tutte le procedure burocratiche per ottenere le autorizzazioni del caso. Ad ogni modo è necessario ancora del tempo per arricchire la mole dei nostri dati. In modo da convogliare gli sforzi ed i costi (umani e non) della sperimentazione clinica verso una terapia potenzialmente promettente e sicura per il paziente.”

9)  Esiste qualche ostacolo particolare?

“Purtroppo al momento è triste dirlo, ma l’ostacolo principale è l’ottenimento dei fondi per finanziare le nostre ricerche: abbiamo un tremendo potenziale ma con fondi contenuti andiamo a “marcia ridotta” e questo allunga inevitabilmente i tempi.”

10) Che risorse economiche sono necessarie per arrivare ad essere pronti alla prima sperimentazione sull’uomo?

“La domanda è alquanto delicata ma rispetto ad anni fa possiamo dire che grazie alle infrastrutture che abbiamo partiamo da un buon punto. Per quanto riguarda la ricerca necessitiamo fondi per mantenere ed espandere il nostro personale (e quindi la rapidità con cui otteniamo i risultati). A questi successivamente vanno aggiunti  fondi dedicati per la produzione esclusiva in regime GMP delle bioprotesi ed ovviamente per le pratiche di ottenimento dell’ok per la sperimentazione clinica di fase 1. A questo livello purtroppo il conto è salato e già dell’ordine di alcuni milioni di euro.”

Ringraziamo il dr. Gelain per il suo prezioso lavoro e per la disponibilità e l’opportunità che ci ha concesso.

 Cure Girls Arcangela e Loredana