L’approccio basato sugli ultrasuoni può ridurre l’infiammazione dannosa e favorire la guarigione delle articolazioni.

Mentre la popolazione anziana sperimenta dolori articolari e infiammazioni ai massimi storici, i ricercatori dell’Università dell’Alabama a Huntsville (UAH), parte del sistema universitario dell’Alabama, hanno pubblicato nuove scoperte che suggeriscono che gli ultrasuoni continui a bassa intensità potrebbero contribuire a spostare la risposta immunitaria dell’organismo da un’infiammazione prolungata verso la riparazione dei tessuti, una scoperta che potrebbe eventualmente contribuire a nuovi trattamenti per le lesioni articolari e l’osteoartrite post-traumatica.

Lo studio, pubblicato su Scientific Reports , è stato condotto da un team multidisciplinare di ricercatori dell’UAH sotto la guida della dottoressa Anuradha Subramanian, professoressa di ingegneria chimica e dei materiali.

Il lavoro ha unito la sperimentazione biologica condotta dal dottor Shahid Khan nell’ambito della sua tesi di dottorato con i metodi computazionali e statistici sviluppati dal dottor Satyaki Roy, professore di scienze matematiche, insieme a ulteriori contributi dello studente di dottorato Owen Trippany.

Come gli ultrasuoni possono riorientare la guarigione

La ricerca esamina come una forma non invasiva di ultrasuoni influenzi i macrofagi, cellule immunitarie specializzate che svolgono un ruolo centrale sia nell’infiammazione che nella guarigione.

“In seguito a un infortunio, il corpo recluta macrofagi infiammatori ‘difensori’ (M1) per eliminare il tessuto danneggiato e macrofagi riparatori (M2) per favorire la riparazione e il recupero”, spiega Subramanian. “Una predominanza persistente dei macrofagi difensori può creare un ambiente infiammatorio prolungato che contribuisce all’artrosi post-traumatica.”

Il team dell’UAH ha studiato se gli ultrasuoni continui a bassa intensità potessero incoraggiare i macrofagi ad allontanarsi da questo stato infiammatorio prolungato e a orientarsi verso uno stato associato alla riparazione dei tessuti.

“In uno stato ‘M1’, i macrofagi promuovono l’infiammazione per combattere danni o infezioni, ma un’attività M1 prolungata può anche danneggiare i tessuti sani”, osserva Subramanian.

“Al contrario, i macrofagi ‘simili a M2’ supportano la riparazione e il recupero dei tessuti. Spostare i macrofagi verso uno stato simile a quello M2 è importante perché può contribuire a ridurre l’infiammazione cronica e a favorire la guarigione delle articolazioni danneggiate. I nostri risultati suggeriscono che gli ultrasuoni continui a bassa intensità possono contribuire a ripristinare questo equilibrio promuovendo una risposta dei macrofagi più riparativa.”

“L’osteoartrite post-traumatica è in parte causata da un’infiammazione persistente che limita la riparazione dei tessuti e accelera la degenerazione articolare”, aggiunge Roy. “Il nostro team è interessato agli ultrasuoni continui a bassa intensità perché offrono un approccio non farmacologico e non invasivo che potrebbe aiutare a regolare il comportamento delle cellule immunitarie e promuovere un ambiente di guarigione più riparativo nelle articolazioni lesionate.”

Un modello più preciso di lesione articolare

Per riprodurre in modo più accurato ciò che accade dopo una lesione articolare, i ricercatori hanno utilizzato frammenti di fibronectina, molecole prodotte durante la degradazione dei tessuti, anziché affidarsi esclusivamente ai metodi di laboratorio tradizionali utilizzati per indurre l’infiammazione. Questa innovazione ha permesso al team di creare un modello che riproduce più fedelmente l’ambiente biologico all’interno di un’articolazione lesionata.

A supporto dello studio, Roy ha combinato la “trascrittomica”, ovvero l’analisi su larga scala dell’attività genica, con una tecnica computazionale avanzata chiamata “clustering differenziale”. Questa tecnica permette di individuare gruppi di geni che si comportano in modo simile quando si verifica una variazione, anziché limitarsi a raggruppare geni che appaiono simili in generale.

Anziché esaminare i singoli geni isolatamente, questo approccio ha permesso ai ricercatori di identificare cambiamenti coordinati tra gruppi di geni, fornendo una visione più ampia di come le cellule immunitarie rispondono al trattamento con ultrasuoni.

“Questo ci ha permesso di studiare non solo quali geni subivano modifiche, ma anche come gruppi di geni modificavano il loro comportamento coordinato in risposta alla stimolazione a ultrasuoni”, afferma Roy.

Segnali di un cambiamento riparativo

I risultati hanno mostrato che gli ultrasuoni continui a bassa intensità riducevano i marcatori associati all’infiammazione, aumentando al contempo i marcatori legati a uno stato macrofagico più riparativo, di tipo M2.

Sebbene la ricerca sia ancora in fase di laboratorio, i risultati evidenziano il potenziale delle tecnologie non farmacologiche e non invasive per influenzare il comportamento immunitario e favorire la guarigione dopo un infortunio. I ricercatori ritengono che questo approccio potrebbe in futuro integrare le terapie volte a rallentare la progressione dell’osteoartrite e a migliorare il recupero a seguito di traumi articolari.

“I prossimi passi consisteranno nel convalidare questi risultati in modelli animali di osteoartrite post-traumatica in fase iniziale e nello studiare come la modulazione basata sugli ultrasuoni influisca sulla riparazione tissutale a lungo termine in caso di lesioni articolari”

Abstract

I macrofagi sono regolatori chiave dell’infiammazione, capaci di assumere fenotipi pro-infiammatori (M1) o antinfiammatori (M2) in risposta a stimoli ambientali. In condizioni croniche come l’osteoartrite post-traumatica (PTOA), l’attivazione persistente del fenotipo M1 contribuisce al danno tissutale e alla compromissione della guarigione. I modelli tradizionali che utilizzano il lipopolisaccaride (LPS) per indurre l’infiammazione potrebbero non riprodurre appieno il complesso microambiente delle lesioni articolari. Questo studio impiega frammenti di fibronectina (Fnf), associati alla degradazione della matrice extracellulare, concentrandosi sulla creazione di un modello infiammatorio fisiologicamente rilevante e applicando l’analisi trascrittomica per studiare come gli ultrasuoni continui a bassa intensità (cLIUS), uno stimolo biofisico non farmacologico, modulino le risposte dei macrofagi in condizioni indotte da Fnf. Oltre all’identificazione dei geni differenzialmente espressi (DEG), introduciamo il clustering differenziale (DC) per catturare il rimodellamento trascrizionale, rivelando cambiamenti coordinati di co-espressione trascurati dalle analisi a livello genico. Due modalità nell’analisi DC, ovvero uguale-diverso (SD) e diverso-uguale (DS), catturano sia i geni canonici che non canonici associati a M2, con una sovrapposizione solo parziale tra le loro liste di geni classificati, come quantificato dagli indici di concordanza di 0,52 per i geni SD e 0,42 per i geni DS (scala 0-1). Questi risultati suggeriscono che cLIUS sposta i macrofagi indotti da Fnfs verso un fenotipo riparativo simile a M2. Gli spostamenti coordinati nell’espressione catturati da DC integrano l’espressione differenziale standard, fornendo una prospettiva su come i trattamenti biofisici come cLIUS modulano il comportamento delle cellule immunitarie.

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