Applicazioni ingegneristiche in ambito biomedico - Blocco 1

Applicazioni ingegneristiche in ambito biomedico

Prove e esami

Due prove in itinere in presenza, se entrambi >18 e <24 è obbligatorio l'orale.

• 1°: 26 aprile
• 2°: 23 maggio

Esame completo: 21 giugno, 20 luglio.

Primo compitino

Introduzione

Lo sviluppo della medicina moderna, approcci terapeutici, utilizzo delle tecnologie.

Biocompatibilità

Definizione del problema, sistema della coagulazione, sistema del complemento; interazione tra materiali e le proteine plasmatiche; metodiche quantitative; strategie.

Sostituzione della funzione renale

Il trattamento emodialitico; organizzazione del rene artificiale; accessi vascolari; pompe peristaltiche; filtro dializzatore; fenomeni di trasporto attraverso le membrane dialitiche; permeabilità, ultrafiltrazione, selettività delle membrane; osmosi inversa per liquido di dialisi; valutazione dell'efficacia del trattamento; prospettive future.

La dialisi peritoneale; trasporti di membrana nella dialisi peritoneale; sviluppi futuri del trattamento dialitico.

Sistemi per trattamento del sangue e dei tessuti

Plasmaferesi; aferesi; sistemi di adsorbimento; sistemi per la perfusione di organi per il trapianto.

Secondo compitino

Sostituzione della funzione cardiaca

Trattamento chirurgico dell’insufficienza cardiaca; circolazione extracorporea per bypass cardio-polmonare; ossigenatori.

Sistemi di assistenza della funzione cardiaca

Sistemi per l’assistenza ventricolare; pompe volumetriche; pompe rotative (assiali, centrifughe); sistemi di regolazione; trasmissione di energia; impianto dei dispositivi e monitoraggio; il cuore artificiale totale; risultati clinici e prospettive future.

Sostituzione/assistenza del controllo glicemico

Terapia insulinica e controllo glicemico; infusori per l’insulina; controllo glicemico estemporaneo e continuo; controllo glicemico mediante circuito chiuso (pancreas artificiale).

Sostituzione/assistenza della funzione polmonare

Ventilatori; sistemi per ossigenazione extracorporea (ECMO).

Organi bio-artificiali

Ingegneria dei tessuti, scaffolds biodegradabili, bioprinting.

Lezione 2: Biocompatibilità

Lo sviluppo della medicina moderna

La medicina moderna si è sviluppata poiché è stato possibile iniziare a compiere operazioni. La prima cosa che ha permesso di far partire la chirurgia vera e propria è stato lo sviluppo degli anestetici. Tuttavia, non è bastato, poiché anche se anestetizzo il paziente, il paziente poi sicuramente andrebbe a sviluppare un’infezione, poiché aprendo la cute, gli agenti patogeni nell’aria vanno a infettare il paziente. Sicuramente l’altro passo fondamentale per la medicina moderna è stato lo sviluppo degli antibiotici.

Inizialmente era basata sulla chirurgia di rimozione, si è riusciti quindi ad utilizzare la chirurgia ablativa per migliorare. Ma successivamente ci fu uno spostamento da chirurgia ablativa a chirurgia di ricostruzione, ad esempio se ho un vaso danneggiato, lo ricostruisco. Ad esempio, il bypass aorto-coronarico è di tipo ricostruttivo.

Sviluppo di nuovi farmaci tra cui gli antibiotici che integrano la chirurgia negli anni '60; c’era però un limite: non tutte le patologie riuscivano ad essere curate. C’è la necessità di sostituire la funzione di organi e tessuti, es. a causa di una grande ustione.

La chirurgia si è sviluppata in due sensi:

• Tentativo di creare organi artificiali negli anni ‘70
• Viene messa a punto la tecnica del trapianto d’organo; il problema principale era il rigetto, è stata "risolta" tramite una terapia farmacologica attraverso un farmaco antirigetto ciclosporina.

Il trapianto di pelle è il più difficile da trapiantare, anni ‘50 primo trapianto di rene a sperimentazione sui cani. La disponibilità dei donatori non è elevata, ci sono liste d’attesa molto lunghe soprattutto per cuore, reni e fegato.

• Lo xenotrapianto è ancora più rischioso (maiale o scimmia) si ha un rigetto iperacuto perché le cellule umane lo riconoscono subito come estraneo.
• Verso la terapia cellulare, c’è il trapianto di midollo, le cellule staminali che sono sempre cellule del midollo e danno luogo a tessuto connettivo; esse riescono ad adattarsi quando sono immesse nel paziente e hanno proprietà immunitarie.

Nuovi sviluppi della medicina

• Evidence-based medicine: sono stati effettuati dei clinical trials, i medici devono curare il paziente tramite la medicina dell’evidenza e usufruendo della letteratura (linee guida). Per riuscire a basarsi sulla medicina dell’evidenza il medico deve poter accedere alla letteratura e consultare i dati.
• Medicina personalizzata (clinical data management- informatica medica): per terapie più personalizzate è necessario avere tutti i dati di laboratorio del paziente e tramite l’informatica è possibile accedere allo storico dati. Ci sono necessità di tipo tecnologico quindi è necessario sviluppare sistemi per gestire questi dati.
• Sviluppo di sistemi per la diagnostica, terapia e riabilitazione.

Biocompatibilità

Il primo problema per gli organi artificiali è la biocompatibilità, tutti i materiali utilizzati nell’uomo in teoria non sono biocompatibili, l’unica soluzione sarebbe utilizzare i tessuti del paziente. Per poter tenere sotto controllo questi fenomeni bisogna capire da dove vengono e capire qual è il materiale che posso usare in quanto interagisce con il sangue in determinati modi, risposta dell’organismo. Bisogna capire come migliorare i materiali in modo che non vadano incontro agli adattamenti fisici.

C’è stata anche una spinta del mercato poiché trovando un nuovo materiale si apre un nuovo mercato.

Cosa succede al sangue quando è in contatto con i materiali? Si riesce a far coesistere il materiale nell’ambiente biologico rispettando alcune limitazioni. La risposta è piuttosto complicata e il problema della compatibilità dei materiali artificiali con l’organismo umano coinvolge la superficie che è a contatto con il sangue e quindi bisogna caratterizzare la chimica, la morfologia, le interazioni delle cariche elettriche del materiale. Si ha un’interazione della superficie con gli elementi del sangue, in particolare le macroproteine come fibrinogeno, fibronettina... c’è una risposta biologica legata all’interazione delle proteine ad esempio coagulazione.

Bisogna tener conto della risposta cellulare.

Gli elementi da considerare per i problemi della compatibilità sono le piastrine.

Il sangue e gli emocomponenti

Il sangue è composto da una parte corpuscolata o cellulare (globuli rossi, globuli bianchi, piastrine) che rappresenta circa il 45% del totale, e una liquida chiamata plasma.

Parte corpuscolata

Globuli rossi

I globuli rossi (eritrociti o emazie) hanno principalmente la funzione di trasportare, grazie a una proteina specializzata chiamata emoglobina, l’ossigeno ai tessuti eliminando l’anidride carbonica. Sono costituiti per il 65% di acqua e per il 35% di sostanze solide (95% di emoglobina e 5% di lipidi, enzimi). Non posseggono il nucleo, sono plastici (per riuscire ad attraversare i capillari) e sulla loro superficie sono presenti gli antigeni dei gruppi sanguigni. I valori normali vanno da 4,2 a 6 milioni per millimetro cubo.

Globuli bianchi

I globuli bianchi (o leucociti) hanno una funzione di difesa dell’organismo, sia direttamente distruggendo le sostanze estranee penetrate nell’organismo sia producendo anticorpi. Sono divisi in granulociti (a loro volta suddivisi in neutrofili, basofili ed eosinofili), linfociti e monociti. I valori normali vanno da 4.000 a 10.000 per millimetro cubo.

Piastrine

La loro funzione è importante nella coagulazione del sangue e nei processi riparativi e di cicatrizzazione; sono i più piccoli elementi del sangue. Sono il prodotto della frammentazione dei megacariociti, cellule di più grandi dimensioni situate nel midollo osseo. Le piastrine sono chiamate anche trombociti e, pur essendo frammenti di cellule, sono privi di nucleo. Hanno una vita media di 10 giorni e misurano circa 3-4 micron.

Parte liquida

Plasma

Il plasma rappresenta la componente liquida del sangue, grazie alla quale le cellule sanguigne possono circolare. Il plasma è costituito prevalentemente da acqua (oltre il 90%), nella quale sono disciolte e veicolate molte sostanze quali proteine, zuccheri, grassi, sali minerali, ormoni, vitamine, anticorpi e fattori della coagulazione.

Dal plasma donato si possono ottenere, mediante frazionamento industriale, alcune sostanze importantissime ai fini trasfusionali:

• Albumina, trasporta diverse componenti del sangue e sostanze nutritive. È una proteina utilizzata nel trattamento di alcune malattie del fegato e dei reni (cirrosi, nefrosi, ecc.), per la cura di stati patologici gravi come lo shock da ustioni, da trauma, ecc.
• Immunoglobuline, sostanze protettive o anticorpi che si sviluppano normalmente a contatto con diversi agenti estranei all’organismo, o dopo vaccinazioni. Vengono utilizzate in vari tipi di difetti immunologici o per patologie autoimmunitarie.
• Fattori della coagulazione (VIII e IX), fondamentali per i pazienti affetti da emofilia A e B che hanno una carenza nel sangue di fattore VIII o IX. Negli ultimi anni l’uso di questi preparati altamente purificati e assai efficaci ha permesso una vita pressoché normale a chi soffre di emofilia.

Le funzioni del sangue

Il sangue esercita numerose funzioni all’interno dell’organismo:

• Respiratoria (scambio ossigeno/anidride carbonica).
• Nutritiva (porta a tutte le cellule le sostanze nutrienti).
• Escretrice (raccoglie i rifiuti, che convoglia agli organi, destinati a eliminarli).
• Termoregolatrice (regola il calore).
• Regola l’equilibrio idrico e acido-basico (per mezzo del plasma).
• Difesa (trasporta i globuli bianchi e gli anticorpi).
• Coagulante (grazie all’azione delle piastrine e dei fattori plasmatici della coagulazione).

Processo di coagulazione e ruolo delle piastrine

Le piastrine hanno un ruolo determinante nell’emostasi (controllo dell’emorragia), il processo che svolgono è il seguente:

• Il fattore di von Willebrand, sintetizzato dalle cellule endoteliali dei vasi che hanno subito una lesione, si lega ai recettori presenti sulle piastrine, facilitando l’aggregazione e l’adesione alle proteine della matrice sottoendoteliale.
• Il processo di adesione attiva la degranulazione delle piastrine e il rilascio di serotonina, ADP e trombossano A₂ formando un tappo emostatico piastrinico primario.
• L’attivazione piastrinica, successivamente, è caratterizzata da esocitosi, in particolare del fattore tromboplastico piastrinico.
• La trasformazione del tappo emostatico piastrinico primario in coagulo avviene attraverso una complessa serie di eventi in cui vanno ad intervenire diversi fattori della coagulazione (alcuni delle piastrine ed altri plasmatici e tessutali).
• Il contenuto dei granuli piastrinici innesca fattori della coagulazione del plasma e fattori di derivazione tessutale che trasformano la protrombina plasmatica inattiva in trombina. Essa va a trasformare il fibrinogeno, proteina plasmatica solubile prodotta dal fegato, in fibrina, proteina insolubile nel quale rimangono intrappolate piastrine, globuli rossi e leucociti.
• Il coagulo chiude la porzione del vaso leso e successivamente, dopo circa 60 minuti, si separa il siero.
• I processi di riparazione tessutale vengono favoriti dall’azione del fattore di crescita piastrinico, PDGF.
• La lisi del coagulo, si realizza grazie alla plasmina, un enzima.