Meccanismo d’azione molecolare dei campi elettromagnetici pulsati a bassa frequenza in cellule osteo-articolari

Introduzione

La sinovite, l’infiammazione della membrana sinoviale dell’articolazione, è associata a una varietà di malattie osteo-articolari tra cui l'artrite, l’artrite reumatoide (AR) e l’osteoartrite (OA) [1]. Pertanto, combattere la sinovite potrebbe rappresentare un’utile strategia terapeutica per il trattamento delle patologie osteo-articolari. La stimolazione biofisica attraverso l’utilizzo di campi elettromagnetici pulsati (CEMP) risulta essere una terapia sicura e non invasiva utilizzabile in diverse condizioni patologiche [2]. Sperimentazioni cliniche hanno rilevato che i CEMP sono utili in caso di OA poiché in grado di ridurre il dolore e migliorare la funzionalità dell’articolazione [3]. Studi in vitro su cellule articolari hanno suggerito che l'esposizione ai CEMP media una riduzione significativa delle citochine proinfiammatorie, aumenta la sintesi della matrice e la proliferazione cellulare [4]. Inoltre, i CEMP sono in grado di mediare l'up-regolazione dei recettori A2A e A3 dell’adenosina in condrociti e sinoviociti bovini e umani, e di contrastare il rilascio di mediatori infiammatori [5-9]. L'adenosina è un modulatore endogeno con diverse funzioni fisiopatologiche mediate dalla sua interazione con quattro recettori transmembrana accoppiati a proteine G, denominati A1, A2A, A2B e A3 [10-12]. L’attivazione e/o il blocco dei recettori dell’adenosina sono implicati nella regolazione delle risposte infiammatorie, suggerendo il loro coinvolgimento in diverse patologie su base infiammatoria, comprese molte malattie articolari [13]. I dati raccolti finora suggeriscono che i CEMP sono in grado di influenzare la risposta infiammatoria nella sinovia. Tuttavia, il ruolo e i meccanismi dettagliati alla base degli effetti terapeutici dei CEMP sulla sinovite sono poco conosciuti.

Rilevanza del problema

L’OA è il più comune disturbo degenerativo e infiammatorio delle articolazioni. Anche se la prevalenza dell'OA è in continuo aumento, finora non esiste alcuna terapia biologica o farmacologica per controllare l'infiammazione e ripristinare l'integrità del tessuto articolare. Pertanto, l'OA è ancora una condizione trattabile solo mediante trattamenti palliativi per alleviare il dolore e la sostituzione delle articolazioni con protesi come opzione finale. Le principali alterazioni dell'OA appaiono progressivamente nel tempo senza un particolare ordine cronologico definito e comprendono danni alla cartilagine, formazione di osteofiti, rimodellamento dell'osso subcondrale e un'infiammazione cronica di basso grado. Le cellule sinoviali contribuiscono allo sviluppo dell'OA attraverso la secrezione di una vasta gamma di mediatori pro-infiammatori, tra cui citochine e mediatori lipidici dell'infiammazione [3].

Metodo attraverso il quale il problema verrà affrontato

Per valutare l’effetto dei CEMP sulle cellule osteo-articolari verrà utilizzata la tecnica della citofluorimetria a flusso, che permette di analizzare velocemente e singolarmente le cellule. Inoltre tale metodologia consente di studiare contemporaneamente sia i parametri fisici delle cellule, le funzionalità cellulari, nonché l’espressione simultanea di diverse proteine di membrana e/o intracellulari, attraverso l’utilizzo di anticorpi fluorescenti specifici. Questa tecnologia permette di ottenere una quantità di dati statisticamente rilevante, combinando informazioni dalle singole cellule ed è utilizzabile anche in campioni eterogenei contenenti divere popolazioni cellulari. Il rilascio di diversi fattori da parte delle cellule verrà invece valutato grazie a saggi AlphaLisa, la quale permette di quantificare molecole d’interesse in tamponi, terreni di coltura, siero e plasma. Questa tecnologia è quantitativa ed estremamente sensibile, essendo in grado di valutare anche la presenza di piccole quantità di analita. Risulta essere quindi più sensibile e riproducibile rispetto ai saggi Elisa classici, consente inoltre di lavorare con volumi di campione inferiori e di ridurre al massimo la perdita di campione grazie all’assenza di lavaggi.

Obiettivi e risultati attesi

Il presente progetto si prefigge di studiare gli effetti dei CEMP sui processi infiammatori in sinoviociti umani. Da studi precedenti è emerso che i CEMP sono in grado di incrementare l’efficacia dell’adenosina, pertanto l’analisi verrà effettuata sia in assenza che in presenza di agonisti selettivi dei recettori dell’adenosina, al fine di verificare se il co-trattamento abbia un effetto antinfiammatorio differente rispetto al trattamento singolo. Le cellule sinoviali umane verranno quindi sottoposte a trattamento con i CEMP e verranno analizzate le vie intracellulari infiammatorie, al fine di identificare il bersaglio molecolare responsabile dell’effetto dei CEMP. Verrà analizzato, mediante citofluorimetria a flusso, il loro effetto sull’espressione di fattori infiammatori intracellulari e vie del segnale, come il fattore di trascrizione NF-kB e le proteine del gruppo delle MAPK, come p38, considerato un importante target antinfiammatorio. Verrà inoltre analizzato il rilascio di diversi mediatori infiammatori, attraverso kit AlphaLisa, in risposta al trattamento con i CEMP in assenza e in presenza dei ligandi adenosinici. Verranno valutate citochine proinfiammatorie e antinfiammatorie come IFN-γ, TNF-α, IL-1, IL-4, IL-6, IL-10, l’osteopontina, una citochina espressa dai sinoviociti correlata alla prognosi dell’OA; chemochine quali CCL5, CXCL-1, CXCL-2, CXCL-8 e CXCL-10; oltre alle diverse metalloproteasi, gli enzimi che degradano la matrice extracellulare. Verrà analizzata anche la presenza di adipochine, come la resistina, sono principalmente rilasciate dalla sinovia durante la progressione dell'OA, accelerando la degradazione della matrice extracellulare. Il presente progetto mira ad analizzare le vie intracellulari coinvolte nell’infiammazione alla base degli effetti dei CEMP in sinoviociti umani, andando inoltre ad esaminare il rilascio di mediatori sia pro che antinfiammatori. I risultati che emergeranno dal progetto potranno quindi fornire nuovi importanti dati relativamente agli effetti della stimolazione biofisica in cellule osteo-articolari.

Bibliografia
1. Shim et al., Calcified Tissue International. 2018; 102(5):533–546.
2. Sorrell et al., Journal of Pain Research. 2018; 11:1209–1222.
3. Massari et al., Int. Orthop. 2019; 43:539–551.
4. Fini et al., Tissue Eng. Part B Rev. 2013; 19:353–367.
5. Varani et al., Osteoarthr. Cartil. 2008; 16:292–304.
6. De Mattei et al., Osteoarthr. Cartil. 2009; 17:252–262.
7. Varani et al., Br. J. Pharm. 2010; 160:101–115.
8. Vincenzi et al., PLoS ONE. 2013; 8:e65561.
9. Varani et al., Mediators Inflamm. 2017; 2017:2740963.
10. Borea et al., Trends Pharm. Sci. 2016; 37:419–434.
11. Borea et al., Br. J. Pharm. 2017;174: 1945–1960.
12. Borea et al., Physiol. Rev. 2018; 98:1591–1625.
13. Pasquini et al., Int J Mol Sci. 2021; 22(14):7685.

IGEA SpA, Clinical Biophysics - Via Parmenide 10/A, Carpi

Periodo: 6 mesi

Il progetto è coerente con i seguenti Ambiti di Ricerca e Innovazione del PNR 2021-2027:

5.1 Salute
5.1.1 Temi generali:
articolazione 3: Implementazione dei sistemi di diagnosi, terapia e follow-up per le malattie non-trasmissibili e/o legate all’invecchiamento

5.1.4 Tecnologie per la salute:
articolazione 7: Dispositivi medicali, organi artificiali e tecnologie neuromorfiche per la medicina bionica e rigenerativa

I risultati che emergeranno da questo progetto avranno un impatto in ambito scientifico, sanitario e socioeconomico. I campi elettromagnetici pulsati (CEMP) rappresentano un importante approccio terapeutico nell’ambito delle patologie infiammatorie e nella rigenerazione cartilaginea. In particolare, in questo progetto saranno investigate le vie intracellulari coinvolte nella sinovite alla base degli effetti terapeutici dei CEMP in cellule sinoviali umane. Verranno così forniti nuovi dati scientifici riguardanti i bersagli molecolari, coinvolti nella sinovite, responsabili dell’effetto dei CEMP. In ambito sanitario i risultati del progetto potranno avere ricadute positive sulle terapie per le patologie osteoarticolari. Infatti, la stimolazione biofisica tramite CEMP risulta essere una terapia sicura e non invasiva, questo permetterà di aumentare la compliance dei pazienti affetti da patologie quali artrite, osteoartrite e artrite reumatoide, limitando gli effetti collaterali derivanti dall’utilizzo di farmaci.

Inoltre, l’applicazione di questi dispositivi potrà essere personalizzata in base alle esigenze del singolo paziente, aumentando così la qualità e l’efficacia delle cure al fine di migliorare la salute della popolazione. Infine, questo progetto consentirà di rafforzare l’interazione tra università ed enti privati attraverso la collaborazione con l’azienda IGEA SpA, Clinical Biophysics, Carpi, Italia. Lo sviluppo e validazione di questi dispositivi medicali fornirà un’opportunità di crescita industriale e la loro applicazione consentirà di abbassare i costi a carico del sistema sanitario e assistenziale.

• Campi elettromagnetici pulsati
• Stimolazione biofisica
• Medicina rigenerativa
• Sinovite
• Patologie osteoarticolari