Applicazioni Ingegneristiche in ambito biomedico - Appunti di Biocompatibilità

REAZIONE DA CORPO ESTRANEO

La reazione dell’organismo da materiale artificiale oltre al complemento e alla coagulazione attiva anche

questa reazione. Il corpo estraneo viene attaccato dalle cellule del sistema immunitario: macrofagi e

monociti si fondono per formare delle cellule giganti multinucleate.

I fibroblasti sono cellule del tessuto connettivo che producono collagene e permettono di creare una barriera

finalizzata a confinare l’elemento estraneo dal resto dell’organismo.

La barriera viene invasa da cellule endoteliali per permettere di portare nutrimenti ai fibroblasti. Si forma un

tessuto fibroso che tende ad isolare l’impianto dai tessuti circostanti (questo è lo scopo, confinare il

materiale).

Il concetto è che si isola il corpo estraneo e si cerca di portarlo all’esterno (es. scheggia), questa reazione va

controllata per evitare il rigetto di biomateriali nell’organismo.

I capillari portano ossigeno, i fibroblasti creano matrice ed essa continua a crescere attorno alla protesi e crea

tessuto fibrotico compromettendo tutto.

Ci sono sempre queste reazioni e vanno tenute sott’occhio, serve tenere sotto controllo cosa impianto all’inizio

perché poi passando il tempo se si generano queste cose allora se tutto era scritto sappiamo come agire, se

no siamo in difficoltà.

Questa reazione però non è una cosa che va sempre bloccata, per esempio guardando ad un filo di sutura,

questo filo deve essere riassorbito e questo avviene con questa reazione, per arrivare ad eliminare il materiale

con i macrofagi. A volte quindi è sfruttata in maniera positiva. Se la capsula fibrotica è estesa si crea la

cicatrice, e dà problemi perché ha proprietà meccaniche diverse dalla cute.

Se ciò non avviene viene creata una barriere attorno al materiale artificiale le cellule che continuano a

produrre la matrice. Quando si crea una capsula fibrotica estesa si può creare una cicatrice che non ha le

stesse proprietà meccaniche del tessuto. Il tessuto fibrotico ha proprietà meccaniche diverse, è meno elastico.

BIOMATERIALI

Definizione di biocompatibilità

La biocompatibilità è la capacità del materiale di interagire con

l’organismo mantenendo la funzionalità desiderata, ed

è fortemente determinata dalla sua struttura chimica primaria.

Si deve quindi capire quante molecole di proteine ho per unità di

superficie per capire e conoscere l’andamento generale.

MATERIALI ARTIFICIALI – Adesione delle proteine circolanti

• La risposta iniziale a superfici estranee è prevalentemente intrinseca e dipende dalle proprietà della

superficie del materiale di assorbire le proteine circolanti che scatenano il meccanismo della coagulazione e la

cascata del complemento.

• Un esempio è il fibrinogeno, che può reclutare le piastrine anche nella sua forma inattiva attraverso il legame

del suo dominio gamma ai recettori delle piastrine (GP IIb/IIIa).

• Se la superficie del materiale impiantato mostra affinità verso l’adesione del fibrinogeno, essa mostrerà

anche affinità verso le piastrine.

• Questa fase di adesione della proteina è uno dei fattori primari che dà inizio alla risposta del materiale

impiantato.

Altro fattore importante è il vWF, cofattore del FVIII, che, in condizioni di gradiente di velocità, viene disteso

dalla forma globulare a quella lineare, favorendo l’adesione piastrinica. Sui biomateriali, se il vWF riesce ad

ancorarsi in un punto, il torrente ematico lo porta a distendersi e a frammentarsi, aumentando così il rischio di

trombosi. Ciò si evince facendo elettroforesi della proteina prima dell’impianto, e poi a distanze diverse, dove

si denota una riduzione progressiva della lunghezza media.

Assorbimento delle proteine sulle superfici dei biomateriali:

Non essendo possibile effettuare test di biocompatibilità primari sul paziente per ovvie ragioni, la prima

caratterizzazione avviene in vitro, misurando l’assorbimento delle proteine, utilizzando il modello semplificato

di Langmuir per assorbimento reversibile:

- in analogia con la cinetica delle reazioni chimiche

- adesione delle proteine/materiale e poi di distacco, prendo un solvente che ha la proteina all’interno

sciolta (messa dentro in polvere).

- I siti di legame permettono il contatto con la proteina, ma non sono reazioni stabili che rimangono

sempre.

- Per misurare l’adesione delle proteine, le si marcano con marcatori radioattivi (come ^125 /), o con

molecole in grado di dare fluorescenza (ad esempio il FITC), fluorescein isothiocyanate.

[P] = concentrazione della proteina in soluzione (num/ml)

[S] = densità superficiale dei siti di legame liberi (num/cm^2)

[PS] = densità superficiale dei siti di legame occupati dalla proteina (num/cm^2)

Num=numero, un materiale ideale biocompatibile dovrebbe avere pochi siti di legame e

poco occupati.

Modelliamo il problema con un modello matematico per fare delle quantificazioni. Come il materiale interagisce

con proteina? Prendere la soluzione con il solvente che contiene proteine che si possono rompere sotto forma

di polvere, dopo di che questa la disciolgo nel solvente per ottenere soluzione della proteina che metto a

contatto col materiale.

Soluzione con quantità nota di proteina, a contatto con la superficie. Inserisco foglietto nella soluzione e

vediamo che ci sono dei siti di legame sul foglietto che permettono alla proteina di interagire col materiale

(carica elettrica o forma sferica). La proteina si lega al sito di legame ma non è stabile.

Col numero di Avogadro possiamo sapere quante molecole ho per unità di volume, quante molecole di

fibrinogeno ho per unità di volume.

Per la quantità di proteine che aderisce al materiale il numero che me lo quantifica è il numero dei siti di

legame che sono impiegati, così capisco quanta proteina è adesa alla superficie.

La reazione superficiale (proteina/sito di legame) può essere assimilata ad una reazione chimica:

P+S PS

⇋

Semplificando posso considerare la reazione una reazione cinetica, perché studio la relazione tra una parte e

l’altra. A seconda dell’energia e dell’affinità ci si sposta da una parte o dall’altra, l’equilibrio si ha se andata e

ritorno sono costanti.

Le velocità da dx e sx dipendono da quanti elementi ho prima o dopo:

1. Le proteine si legano ai siti di legame e creano dei siti occupati;

2. I siti di legame occupati danno origine a P e S se la proteina si stacca. Più siti di legame ho e più proteine

mi si liberano nell’istante di tempo;

L’equilibrio avviene quando quello che va in un senso avviene anche in modo contrario.

Come avvengono queste reazioni? Soprattutto quando c’è una costante di associazione o dissociazione?

Processo monomolecolare: il processo coinvolge una sola particella e segue una cinetica di primo ordine; la

velocità di dissociazione dipende dalla quantità dell’elemento che produce la reazione.

Processo biomolecolare: se abbiamo 2 composti che si devono combinare la velocità di reazione dipende

dal prodotto della concentrazione dei due reagenti.

La velocità di dissociazione è legata ad una costante e al prodotto della costante per la concentrazione del

nostro prodotto che si deve dissociare. La reazione che va all’indietro fa dissociare la proteina dal sito di

legame. Più siti di legame ho e più proteina mi si libera. Se ho concentrazione alta mi si liberano più proteine

nell’unità di tempo e viceversa. All’inizio la dissociazione è bassa ed è alta la velocità di associazione che

dipende, mediante una costante, dal prodotto dei due elementi. Se all’inizio sono tutti siti di legami liberi e

proteina libera, la quantità dei siti di legami occupati è maggiore all’inizio. Da un certo punto aumenta la

dissociazione.

Per semplificare ipotizziamo che la reazione avvenga secondo una cinetica di primo ordine:

Velocità di assorbimento (costante di associazione) = Ka

Velocità di distacco (costante di dissociazione) = Kd

Il numero di molecole che si attaccano è uguale al numero di quelle che si staccano.

Assumendo una soluzione diluita (nel plasma si ha il 90% di H2O), all’equilibrio si avrà una costante di

equilibrio K (affinità) data da:

Diagramma di dissociazione della proteina dal materiale

Immaginiamo di avere un certo numero di siti di legame occupati

dalla proteina, siccome il legame non è stabile la proteina si staccherà dal

sito, quindi man mano che passa il tempo avrò sempre meno proteine

attaccate.

L’andamento perciò è esponenziale negativo: possiamo immaginare che la quantità di proteina che si

dissocia sia una costante.

Possiamo scrivere un’equazione in cui diciamo che la velocità di reazione (molecole che si staccano) dipende

dalla quantità di molecole associate al sito di legame in quell’istante di tempo, perciò la quantità di molecole

che si staccano è data dal differenziale delle molecole adese al sito nell’unità di tempo.

Abbiamo visto però che la quantità di molecole dissociate è data dalla costante per la concentrazione delle

proteine adese al sito: Alla dissociazione: essa dipende dal prodotto della costante per la

concentrazione dei siti di legame occupati. Se superficie ha tutti i siti di legami

occupato, per via della dissociazione rimuovo la proteina e la dissociazione mi fa

vedere che dopo un periodo di tempo ne ho di meno e devo aspettare un tempo

infinito per liberarli tutti. La quantità che mi si distacca dipende da quanti ne ho,

dipendono dall’andamento dell’esponenziale negativa. La quantità dei siti di

legame che si dissociano si esprime come la derivata del numero dei siti di

legame rispetto al tempo tempo. Poi esprimo il valore della derivata in funzione

della concentrazione dei siti di legame, il prodotto della costante di dissociazione

per delta t è uguale al differenziale dei siti di legame divisi i siti di legami occupati.

L’integrale va da PS 0 ossia dal valore iniziale fino alla fine del periodo di

osservazione, quindi dal tempo t 0 a t. La condizione al contorno è data dal valore di PS e un tempo noto (t=0,

PS=0).

La quantità dei siti di legami che continua a diminuire nel tempo (ultima equazione).

Se la k è alta l’esponenziale scende velocemente.

La reazione di dissociazione non è lineare, ma esponenziale negativa.

Per calcolare K e la dinamica della reazione chimica introduciamo F che è il numero di siti di legame occupati

sul numero di siti totali.

L’andamento della funzione è inter