L’EVOLUZIONE DEI BIOMATERIALI IN ODONTOIATRIA E IN CHIRURGIA MAXILLO-FACCIALEISTITUTO SUPERIORE DI SANITÀDipartimento di Tecnologie e Salute

Interazione tra cellule e scaffold nel differenziamento cellulare in senso osteogenico:

analisi in vitro

Giusy NoccaIst. Biochimica e Biochimica Clinica

- UCSC -

La perdita o l’insufficienza funzionale di un organo o di un tessuto rappresenta uno dei problemi più invalidanti per l’individuo e piùcostosi per la sanità.Non dobbiamo pensare “solo” alla mancanzacompleta dell’organo ma anche a deficit in strutture non indispensabili per la sopravvivenza ma che determinano unadrammatica riduzione della qualità della vita.

IERI

Per quanto riguarda la perdita strutturale, l’uomo – da sempre - si impegna cercando di risolvere la situazione al meglio delle proprie possibilità come testimoniano tanti reperti che sono stati trovati

Nel 1668 il medico olandese Job Van Meekerenesegue il primo innesto osseo eterologoinnestando un frammento di cranio di cane in un difetto craniale di un soldato rimasto ferito.Il soldato venne scomunicato. Per questo chiesedi farsi togliere l’innesto, ma non fu possibileperché risultò completamente integrato.(De Boer 1988)

IL PRIMO INNESTO ETEROLOGO

Antoni Van LeeuwenhoeK nel 1674 descrive per la prima volta la struttura ossea relativamente a quelli che saranno poi chiamati canali Haversiani.Si cominciano ad evidenziare concetti come “calloosseo”, “impianto” e “riassorbimento”.

INNESTO AUTOLOGO E OMOLOGO

Leopold Ollierstudia il fenomeno della

rigenerazione osseae pubblica nel 1861 il

“traité de la régénération des os” documento in cui compare per la prima volta il termine “greffe

osseuse”: innesto osseo

Il primo innesto autologoGermania 1820: Philips Von Walter chiude il foro a seguito della trapanazionedel cranio, con porzioniossee precedentementeasportate.

Il chirurgo scozzeseWilliam Mac Ewen

nel 1880 innesta un segmento di tibia da

donatore in un difetto omerale di

un ragazzo.

• Per quanto riguarda la perdita di funzionalità degli organi, il rimedio a disposizione oggi è il trapianto. Il quale, però, risente della strutturale insufficienza di donatori e comporta la necessità di sottoporre i pazienti a trattamenti immunosoppressivi che aumentano eventuali effetti collaterali.

• La terapia sostitutiva basata su organi artificiali è, invece, gravata dalla durata limitata dei dispositivi.

OGGI

La m.r. viene definita come una terapia che induce la rigenerazione di organi e tessuti danneggiati in seguito a malattie o ad alterazioni congenite.

La m.r.- che include l'ingegneria dei tessuti -incorpora anche l'idea di auto-guarigione, in cui il corpo utilizza i propri sistemi, a volte con l'aiuto di materiale biologico esterno, per ricreare le cellule o ricostruire organi. Tale rigenerazione può essere raggiunta attraverso la terapia cellulare o l’ingegneria tissutale.

OGGI E DOMANI: RIGENERAZIONELa medicina rigenerativa e, in particolare l’ingegneria tissutale, sembra essere una soluzione adeguata per ovviare a tutte queste problematiche.

Prometeo incatenato, marmo bianco di Nicolas-Sébastien Adam, Parigi, Louvre

Rigenerazione e riparazioneLa rigenerazione di tessuti o organi è biologicamente possibile.

Infatti la rigenerazione è il meccanismo di recupero predominante per

talune specie animali ed in tessuti embrionali.

Gli organismi superiori hanno perso tale capacità e presentano il solo la

possibilità di riparare piccole lesioni.

1’ Simposio di Ingegneria Tessutale, 1988 California

«L’applicazione dei principi e dei metodi dell’ingegneria e delle scienze della vita per comprendere a fondo la relazione che esiste tra struttura e funzione nei tessuti viventi normali e patologici, per lo sviluppo di sostituti biologici che possano ripristinare, mantenere e migliorare la funzione tissutale»

Ingegneria tissutale: storia

• Caratteristica principale è la multidisciplinarietà:

l’ingegneria, la chimica, la fisica, la biologia, biotecnologie e la medicina.

• Strategia principale:

si avvale di cellule viventi (e/o loro prodotti) e di supporti innovativi, per sviluppare sostituti tissutali bioattivi in alternativa agli impianti inerti.

Ingegneria tissutale: storia

In un primo momento furono condotti studi per creare sistemi che riproducessero fedelmente i tessuti e gli organi naturali nella forma, nelle proprietà e nella funzione.

In poco tempo fu evidente che la complessità dei tessuti biologici in termini di composizione macromolecolare, organizzazione ultrastrutturale e interazioni tra cellule e ambiente, rendevano difficile il passaggio dei costrutti ingegnerizzati dall’ambito sperimentale a quello clinico.

Ingegneria tissutale: storia

Nel primo decennio si è approfondita la conoscenza sulle potenzialità dell’utilizzo di cellule, fattori biochimici e scaffolds biocompatibili per la ricostruzione tissutale.

Ingegneria tissutale: storia

Oggi, le tecniche di ingegneria tissutale si stanno rapidamente sviluppando verso la progettazione e produzione di qualsiasi tessuto umano. Esistono, infatti, progetti e protocolli per l’ottenimento di:pelle, cartilagine, ossa e muscoli,

tessuto nervoso, cornea,

fegato, pancreas,

vasi sanguigni,

ureteri, vescica etc...

Ingegneria tissutale: oggi

La progettazione di questi tessuti avviene attraverso l’utilizzo combinato di:materiali, cellule, mediatori (bio)chimici e sistemi innovativi di coltura

Ingegneria tissutale: oggi

Ingegneria tissutale: oggi

Da ingegneria tissutale a ingegneria tissutale funzionale

Nel 1998 la comunità scientifica decise di adottare un nuovo

paradigma per enfatizzare l’importanza della biomeccanica nel

design e nello sviluppo di impianti cell- e matrix-based per la

riparazione dei tessuti molli e di quelli duri. In questo senso si può

parlare di un’evoluzione della TE, in ingegneria tissutale funzionale

(FTE), il cui obbiettivo è focalizzarsi sull’importanza di ristabilire la

funzione del tessuto o organo, identificando le esigenze meccaniche

e strutturali critiche in situ, del tessuto da ripristinare.

Attualmente il trattamento chirurgico per perdite ossee estese si avvale di due alternative: 1a) innesto di tessuto autologo o 1b) allogenico e 2) ingegneria tissutale.

1a) innesto di tessuto autologo

1b) Grazie all’esistenza di banche dell’osso da tempo, è disponibile anche l’innesto di tessuto allogenico, che tuttavia ha mostrato essere spesso soggetto a scarso rimodellamento e insufficiente rivascolarizzazione, funzionando quindi da mero supporto;

Quattro elementi fondamentali per la realizzazione dei tessuti biologici1) Le cellule autologhe: prelevate dallo stesso individuo su cui sarà eseguito

l’impianto. Questo tipo di cellule abbatte drasticamente i problemi di rigetto e di trasmissione di malattie (differenziate o staminali)

allogeniche: provenienti da un donatore della stessa specie (differenziate o staminali)

xenogeniche: ottenute da un donatore di un’altra specie (differenziate o staminali)

2) lo scaffold Materiali, struttura e forma sono scelti a seconda della specifica

applicazione; 3) i mediatori Biochimici4) il bioreattore

dispositivo per colture cellulari dinamiche che deve svolgere le seguenti funzioni fondamentali: garantire la sopravvivenza dell'impianto attraverso l'apporto e il

mantenimento di specifiche concentrazioni di nutrienti e gas; la somministrazione di adeguati stimoli per preparare il graft alle

condizioni biologiche in vivo.

2) ingegneria tissutale

2) ingegneria tissutale - Due tipologie di approccio

2 a) In vitro seeding:

Al fine di ottenere un’efficace e stabile riparazione occorre:1. ottenere un numero adeguato di cellule o tessuto per riempire il

difetto, 2. mantenere il corretto fenotipo cellulare, 3. Le cellule, quindi, dovrebbero organizzarsi in tridimensionale e

produrre matrice extracellulare,

2) ingegneria tissutale - Due tipologie di approccio

2 b) Tissue guided regeneration (in vivo): la rigenerazione viene ottenuta direttamente nel paziente.

BIOMATERIALE IDEALE

BiocompatibileBiodegradabileFavorire:

- Adesione- Migrazione- Proliferazione- Differenziamento Cellulare- Sintesi matrice extracellulare- Invasione Vascolare

La capacità di una cellula di riconoscere ed interagirecon il substrato rappresenta il primo indispensabilepasso, senza il quale processi come proliferazione,

migrazione e differenziamento cellulare non sarebbero possibili.

Nella progettazione di materiali per l’ingegneria deitessuti, la comprensione dei meccanismi che regolano

tale interazione sono di fondamentale importanza.

INTERAZIONE CELLULA-BIOMATERIALE

Esistono diversi tipi di interazione che possono instaurarsi tra la cellula e il materiale. Per effetto di cariche superficiali o interazioni idrofobiche, ad esempio, la cellula può interagire con il materiale. Da questo tipo di interazioni, però, non si ottiene nessuna risposta biologica.

Affinché l’interazione cellula-materiale attivi una particolare funzione cellulare, cioè si abbia un “riconoscimento biologico” del materiale, è necessaria l’attivazione di una cascata di segnali capace di stimolare una risposta cellulare specifica.

Il riconoscimento biologico deve avvenire tra due molecole, un ligando e un recettore, capaci di formare un complesso attivo che genera un pathway di segnali dall’esterno all’interno della cellula, in grado di modificare la cellula stessa e l’ambiente che la circonda.

INTERAZIONE CELLULA-BIOMATERIALE

L’adesione cellulare è un processo che si compie in due fasi: nella prima, si ha la formazione dei legami iniziali (legami ionici e forze di Van der Waals) tra cellule e substrato; in una successiva fase, di adesione vera e propria, vengono coinvolte le proteine della ECM e del citoscheletro.

substratosubstrato

Interazione cellula-matrice

In vivo la cellula riconosce l’ambiente che la circonda ed interagisce con esso.

Il microambiente, in cui sono immerse le cellule, è rappresentato dalla Matrice Extra-Cellulare (ECM), un’entità complessa, composta da numerose proteine che svolgono funzioni strutturali e di segnale.

Le due principali classi di macromolecole che compongono la matrice sono proteoglicani e proteine fibrose; queste ultime appartengono a due gruppi: uno con funzione principalmente strutturale (collagene ed elastina) e uno con funzione principalmente adesiva (per esempio fibronettina e laminina).

Struttura e funzione della matrice extracellulare (ECM)

Fino a poco tempo fa le uniche due caratteristiche che un biomateriale doveva possedere erano la biocompatibilità (il materiale non deve essere né citotossico né immunogeno) e la biodegradabilità (il materiale deve essere facilmente eliminabile, una volta svolta la sua funzione).

Nell’accezione moderna di biomateriale tra le sue caratteristiche, si deve aggiungere anche la capacità del biomateriale di interfacciarsi con l’ambiente biologico e di modulare in modo “specifico” la risposta cellulare.

Nella progettazione di un biomateriale, perciò, bisogna tener conto dei diversi parametri che possono influenzare l’interazione cellula-materiale.

Tali parametri rappresentano le caratteristiche del materiale, che possono essere chimiche, quali la natura del materiale e la presenza di segnali biochimici, e fisiche, quali le proprietà meccaniche del materiale, la forma e le dimensioni.

Interazione cellula-matrice in vitro

Natura del materiale

I materiali utilizzati per applicazioni biomediche possono essere suddivisi in due classi principali: naturali e sintetici.

Naturali: Biocompatibili, poco riproducibili

Sintetici (ad es. l’acido polilattico o il poli-etilenglicole), invece, hanno dalla loro i bassi costi di produzione, l’ottima riproducibilità e alte prestazioni meccaniche. Ma poco «riconoscibili».

Modulazione delle caratteristiche chimiche del materiale

1. Lo studio del meccanismo e l’identificazione dei fattori coinvolti nell’adesione cellulare ha assunto un ruolo centrale per lo sviluppo di biomateriali innovativi, su cui sperimentare modifiche di superficie che consentano una modulazione, al livello molecolare, del legame con le cellule.

2. Una superficie modificata (biomimetica) può rappresentare una sorta di matrice extracellulare artificiale in grado di fornire gli stimoli biologici adatti a guidare la formazione di nuovo tessuto: il segnale può favorire genericamente l’adesione, ma anche essere selettivo per alcuni tipi cellulari e quindi indurre una risposta specifica.

3. Il design di superfici sempre più simili a quelle del microambiente fisiologico del tessuto osseo (osteomimetiche) mira ad aumentare l’osteoconduttività di scaffolds per l’ingegneria tissutale dell’osso, sostenendo le fasi precoci della cascata di eventi che portano alla rigenerazione tissutale.

4. La neoformazione di osso è il risultato di una serie di azioni che ha inizio con il reclutamento delle cellule osteoprogenitrici. Nelle prime fasi di adesione al substrato le cellule osteogeniche secernono nell’ambiente circostante specifiche proteine (cruciali negli steps dell’adesione) che si aggregano in una specie di scaffold naturale, la matrice extracellulare (ECM). Aderendo a tale supporto le cellule proliferano, si differenziano e si organizzano per la formazione del neo-tessuto.

Conclusioni