Medicina Rigenerativa: Biomateriali, lezione universitaria della Prof.ssa Zavan

Patologia I ed Immunologia, lezione 27,09/05/2024

Prof.ssa Zavan

Medicina Rigenerativa: Biomateriali

La professoressa comincia la lezione presentando una foto di Margaret Mead, un'antropologa. Chi sono gli antropologi? Gli antropologi sono scienziati che studiano il comportamento delle popolazioni e dell'uomo. Negli anni '30 negli Stati Uniti, quando comincia ad esserci il benessere generale si sviluppa un grosso problema, quello della depressione degli adolescenti (presente anche oggi), e questa antropologa cominciò a studiarla utilizzando casi-controllo positivo, ovvero adolescenti non depressi di una particolare popolazione in Africa ponendosi lo scopo di trovare la differenza dello stato psicologico degli adolescenti in quella che noi definiamo civiltà e quella che noi non definiamo tale. Per spiegare la sua idea di civiltà, usò la definizione della teoria del femore rotto. La Mead disse che il primo segno di civiltà in una cultura antica era un femore rotto e poi guarito. Spiegò che nel regno animale, se ti rompi una gamba muori, diventi carne per bestie predatrici che si aggirano intorno. Nessun animale sopravvive a una gamba rotta abbastanza a lungo perché l'osso guarisca. Un femore rotto che è guarito è la prova che qualcuno si è preso il tempo di stare con colui che è caduto, ne ha bendato la ferita, e lo ha aiutato a riprendersi. La teoria del femore rotto è alla base della medicina e della civiltà, il prendersi cura di un'altra persona che da solo morirebbe. La teoria del femore rotto prevede quindi anche la rigenerazione. L'ingegneria dei tessuti è un po' alla base della teoria del femore rotto; prevede la rigenerazione, prima in vitro poi in vivo, la rigenerazione di tessuti e organi danneggiati. Occuparsi di ingegneria dei tessuti prevede, necessariamente, di lavorare in un team che è anche ciò che viene richiesto ad un medico. L'ingegneria dei tessuti nasce circa 20 anni fa ed ha spesse volte cambiato nome da "ingegneria dei tessuti" a "medicina rigenerativa", si usa anche "medicina traslazionale" (portare risultati dal bancone del laboratorio al letto del paziente). Cosa è necessario? Certamente serve l'interazione medico-ricercatore nella quale il medico dice cosa deve essere sintetizzato ed il ricercatore propone opzioni che il medico possa effettivamente utilizzare. Successivamente, serve la chimica che aiuti a sviluppare i materiali, ingegneri che aiutini a sviluppare bioreattori e strategie per sviluppare specifici processi laboratoriali.

Proprietà dei biomateriali

Le caratteristiche di un tessuto od una protesi devono essere quelle di:

• non dare reazione allergica
• essere a basso costo
• materiale facilmente reperibile

1. ergonomico e plastico

• può sostituire diversi materiali

I materiali usati si definiscono inerti, cioè, sostituiscono solo le funzioni della parte che cercano di sostituire. Con il tempo si sono sostituiti con materiali che interagiscono con il nostro corpo si definiscono biomateriali ed appunto devono essere:

• Biocompatibili
• Costi minimi od affrontabili
• Non devono dare flogosi (infiammazione), le cellule devono accettare questi materiali
• Non devono risultare tossici
• Devono essere compatibili alla funzione che devono svolgere (es: se devo sostituire un osso devono essere rigidi, se devo fare una protesi mammaria devono essere morbidi, se devo ricostruire una cornea devono essere trasparenti)
• Devono essere indossabili e fissi (la protesi deve rimanere in loco e non muoversi). Un esempio è lo Stent cardiaco è un palloncino con una rete metallica che si inserisce in vena e serve a dilatare un'arteria occlusa agganciandosi sulla carotide, ad esempio, e se non si agganciasse bene ci sarebbe un fenomeno ischemico gravissimo. Le protesi sono quindi disegnate per l'anatomia e funzione che devono svolgere e sono sottoposte continuamente ad un flusso definito share stress, cioè, sono continuamente sollecitate a spostarsi e questo permette di valutare un range di valori (ad esempio pressori) entro i quali deve trovarsi il paziente presentante protesi o stent.
• Devono essere di facile utilizzo

Properties of Biomaterials

Biocompatibility Host Response Non-Toxicity and Safety Mechanical Properties Corrosion Wear Resistance Fatigue Easy to use Minimal cost Accessible Sterilization

Tutte queste sono caratteristiche sia della fase di sviluppo ma sono caratteristiche che il medico deve conoscere; non dare mai per scontato che i prodotti che ci vengono forniti siano sicuri al 100% o che vadano bene per noi. Entriamo nel mondo dei biomateriali, che possono essere divisi in tre categorie:

• Materiali naturali che derivano da componenti già presenti in natura come collagene, acido ialuronico o fibrina. Sono tessuti che possono derivare da un donatore, decellularizzati in laboratorio e contengono la matrice che ci serve Molti esempi sono quelli dell'osso, frammenti di osso di donatori messi a disposizione da banche pubbliche per la rigenerazione. Il 90% dei donatori sono anziani sottoposti ad operazione per rottura femore, soprattutto donne. Altre banche di donatori sono quelle di cornea, donazione tessuti molli e pelle. Questi materiali hanno la particolarità che variano da donatore a donatore in base alla composizione, età, storia del paziente; quindi, non si riesce ad avere una predizione post operatoria sempre uguale, perchè varia a seconda del donatore.
• Materiali sintetici come, per esempio, polietilenglicole (PEG) e policaprolattone (PCL), che danno la possibilità di standardizzare la produzione con tempi controllati. Il PEG è ormai da tempo utilizzato per fare i fili di sutura, rimuovibili e riassorbibili.
• Materiali compositi (che hanno sia componenti naturali che sintetiche) Tutti questi tessuti devono essere approvati dal ministero ed in Italia ad oggi sono 29. I centri che conservano questi tessuti possono essere di monotessuto (oculare=cornee; tessuto muscolo scheletrico=solo osso; cute; isole pancreatiche; membrane amniotiche) La stessa composizione della membrana amniotica è quella delle valvole cardiache, le valvole quando vengono sostituite esistono di due tipologie:

• Biologiche: (tessuto) scoperte da Carpentier solo 30 anni fa (es da bovini, suini, ovini, decellularizzate)
• Meccaniche: più durature nel tempo (consentono di aprirsi e chiudersi) Chi ha bisogno di questi tessuti? I medici, le aziende ospedaliere e gli istituti di ricovero e cura a carattere scientifico (IRCS), ovvero ospedali di eccellenza che perseguono finalità di ricerca, prevalentemente clinica e i centri di cura migliori sono quelli dove si fa anche ricerca perché la ricerca corre ed ogni giorno si trovano molecole o terapie promettenti e potenzialmente funzionali. È necessario per un buon medico mantenersi costantemente informato e curioso perché la ricerca e la medicina continuano ad evolversi.

Percorso per ottenere tessuto decellularizzato

• Prelievo
• Controllo qualità del tessuto (se ha condizioni idonee)
• Controllo qualità del donatore (che non abbia virus da trasmettere)
• Processazione e conservazione (ogni banca del tessuto ha il suo brevetto per decellularizzare)
• Certificazione qualità e sicurezza
• Distribuzione

Prelievo Controllo qualità donatore Controllo qualità tessuto Banche dei tessuti idoneità ! processazione e conservazione certificazione qualità e sicurezza distribuzione

Ricostruzione di un tessuto

Vediamo ora la ricostruzione di un tessuto, esaminiamo la ricostruzione di un osso. L'osso è un tessuto che può riguardare svariate implicazioni (es. maxillo faciale, ortopedia, chirurgia plastica ecc) Siamo passati da materiali inerti a biomateriali, che interagiscono con le cellule del tessuto circostante e lavorano in sinergia con esso. Ad esempio, per le protesi ossee sostitutive oggi si usa il titanio che si può usare anche per le viti nelle protesi dentarie. Regola fondamentale per la rigenerazione, un materiale o una protesi deve sempre ispirarsi a quello che c'è in natura, non ha senso forzare le cellule con un materiale diverso rispetto a quello con cui sono abituate ad utilizzare. La parte centrale di un osso, dove ci sono gli osteoblasti che producono nuova matrice, è trabecolare e non piena; quindi, anche nella rigenerazione si dovrà avere un materiale che ha dei fori per permettere alle cellule di entrare e, soprattutto, vascolarizzare l'osso. Abbiamo bisogno di un tessuto poroso in modo che le cellule che producono per prime l'osso arrivino e comincino a colonizzare il materiale. Qui abbiamo una protesi d'osso che viene piano piano colonizzato dalle stesse cellule (sempre dall'esterno verso l'interno) ed una volta colonizzato le cellule entrano e si differenziano in osteoblasti perché sentono un tessuto rigido (meccano-induzione).

Caratteristiche del materiale per la rigenerazione ossea

• Materiale poroso
• Le cellule devono aderire
• Le cellule devono poter differenziarsi correttamente

Non è detto che sempre le cellule riescono ad integrarsi, un esempio sono gli aneurismi addominali ovvero il collasso dell'aorta addominale che si gonfia fino ad esplodere, il paziente viene operato e la strategia è quello di sostituire il tratto di aorta con un "tubo"; idealmente, inserendo il materiale, questo viene colonizzato da cellule, che cominciano a ricreare il tessuto. Purtroppo, nella pratica non funziona, c'è bisogno di una cosa veloce perchè non si può rischiare, ad esempio, un coagulo o danni simili. Il materiale di elezione in questo caso è il Goretex (utilizzato per le scarpe) che è un materiale impermeabile ed inerte e può essere suturato in loco, non crea problemi di alcun tipo anche se le cellule non si attaccheranno mai ad esso. Se le piastrine non formano il coagulo e il sangue mi può passare avanti e indietro, allora si tratta di un materiale perfetto. Quindi non sempre il fatto che ci siano le cellule è positivo o mi deve servire nella medicina, invece nell'osso è importante, perché se le cellule non entrano non si integra e quindi se un paziente ha avuto una