Appunti Applicazioni ingegneristiche in ambito biomedico

ASSORBIMENTO DELLE PROTEINE SULLE SUPERFICI DEI BIOMATERIALI

Quando un dispositivo biomedico viene impiantato questo viene suito assorbito dalle

proteien sulla sua superficie, questo assorbimento porta il dispositivo ad interagire con lo

strato proteico e non l’organismo in se. in base alla strato di proteine il corpo la resione

dell’organismo al materiale stesso attraverso (per la biocompatibilità è importante quindi

riuscire a controllare tale assorbimento proteico eseguito sulla superficie del dispositivo) :

-​ Attivazione della cascata della coagulazione

-​ Attivazione del sistema del complemento

SISTEMA DEL COMPLEMENTO

Il sistema del complemento è una parte fondamentale del sistema immunitario innato. È

costituito da una cascata di proteine plasmatiche (più di 30) che lavorano insieme per

difendere l'organismo contro gli agenti patogeni (come batteri e virus) e per eliminare le

cellule danneggiate o morte. Le proteine del complemento posso essere attivate per via

enzimatica attraverso una serie di reazioni.

Il materiale estraneo è un materiale che se messo a contatto con GB (anticorpi) non

viene riconosciuto come parte del nostro organismo, che tenta di eliminarlo.

Per questo il sistema del complemento fa parte del meccanismo di riconoscimento e

di eliminazione del materiale estraneo.

Pannello di Sinistra: "CLASSICAL PATHWAY" (Via Classica)

●​ "Antigen-antibody" (Antigene-anticorpo): La via classica del complemento

è tipicamente attivata dal legame di anticorpi (IgG o IgM) a un antigene.

Nell'immagine, questo è rappresentato come il punto di partenza della via

classica.

●​ C1, C1a: Il legame antigene-anticorpo attiva il complesso C1, che si trasforma

nella sua forma attiva C1a.

●​ C4, C4b, C4a: C1a scinde la proteina del complemento C4 in due frammenti:

C4b e C4a.

●​ C2, C2a: C1a agisce anche su C2, scindendolo in C2a e C2b (non mostrato).

●​ C4b2a (C3 convertase): I frammenti C4b e C2a si combinano per formare la

C3 convertasi, un enzima che scinde C3.

●​ C3, C3b, C3a: La C3 convertasi scinde C3 in C3b e C3a.

●​ C4b2a3b (C5 convertase): C3b si lega a C4b2a per formare la C5

convertasi, un altro enzima chiave.

●​ C5, C5b, C5a: La C5 convertasi scinde C5 in C5b e C5a.

●​ C6, C7, C8, C9, C5b-9 (MAC): C5b inizia la formazione del complesso di

attacco alla membrana (MAC), composto dalle proteine del complemento C6,

C7, C8 e C9. Il MAC crea pori nella membrana cellulare, portando alla lisi

(distruzione) della cellula bersaglio. sC5B-9 = MAC solubile

Pannello di Sinistra (in basso): "ALTERNATIVE PATHWAY" (Via Alternativa)

●​ "Biomaterial Surface" (Superficie del biomateriale): Questa è la parte

cruciale per il nostro contesto. La via alternativa può essere attivata

direttamente dalla superficie di un biomateriale, anche in assenza di anticorpi.

●​ C3, C3b, C3a: L'interazione con la superficie del biomateriale porta alla

scissione di C3 in C3b e C3a.

●​ Factor D, B, Ba, C3bBb (C3 convertase), C3bBb3b (C5 convertase): Una

serie di proteine, tra cui il Fattore D, il Fattore B e i suoi frammenti (Ba e Bb),

partecipano alla formazione delle C3 e C5 convertasi della via alternativa.

●​ C5, C5b, C5a, C6, C7, C8, C9, (MAC): La via alternativa converge con la via

classica nella formazione del MAC, portando alla distruzione della cellula

bersaglio.

in poche parole, per quanto riguarda l'attivazione del sistema del complemento in

relazione ai biomateriali, il fattore chiave è C3.

Ecco perché:

●​ Via Alternativa: Come mostrato nell'immagine "image_f0cdef.jpg" e spiegato

nel testo, la superficie del biomateriale può direttamente attivare la via

alternativa del complemento. Questo processo inizia con l'interazione tra la

superficie del materiale e la proteina C3, portando alla sua scissione in C3a e

C3b.

●​ Convergenza delle Vie: Indipendentemente dalla via di attivazione (classica,

alternativa o delle lectine), tutte convergono nella scissione di C3 e nella

formazione dei suoi prodotti attivi, C3a e C3b.

Quindi, C3 è centrale nell'attivazione del sistema del complemento, in particolare

innescato dal contatto con biomateriali.

il sistema del complemento può essere attivato dall'interazione con biomateriali

impiantati.

●​ Superfici estranee: Le superfici dei biomateriali possono attivare la via

alternativa del complemento, anche in assenza di anticorpi specifici.

●​ Proteine adsorbite: Le proteine plasmatiche che si adsorbono sulla

superficie del biomateriale possono innescare l'attivazione del complemento.

●​ Conseguenze dell'attivazione: L'attivazione del complemento sui

biomateriali può portare a:

○​ Infiammazione: L'attivazione del complemento rilascia mediatori

infiammatori che possono causare dolore, gonfiore e danno tissutale.

○​ Danno cellulare: Il MAC può danneggiare le cellule circostanti, sia

quelle dell'organismo che quelle del biomateriale (se si tratta di un

materiale cellulare).

○​ Trombosi: L'infiammazione e il danno cellulare possono contribuire

alla formazione di coaguli di sangue.

○​ Reazione da corpo estraneo: L'attivazione cronica del complemento

può contribuire alla reazione da corpo estraneo, in cui l'organismo

cerca di isolare il biomateriale formando una capsula fibrotica.

Importanza per la Biocompatibilità:

●​ L'attivazione del complemento è un fattore importante da considerare nella

progettazione di biomateriali biocompatibili.

●​ I biomateriali ideali dovrebbero minimizzare l'attivazione del complemento per

ridurre l'infiammazione e le altre risposte immunitarie indesiderate.

●​ Le strategie per ridurre l'attivazione del complemento includono la modifica

della chimica superficiale, della topografia e delle proprietà di adsorbimento

proteico dei biomateriali.

i biomateriali possono attivare il sistema del complemento principalmente attraverso

la via alternativa, a causa del riconoscimento della loro superficie estranea. Tuttavia,

anche la via classica può essere coinvolta se si formano complessi immuni sulla

superficie del materiale. L'adsorbimento delle proteine plasmatiche gioca un ruolo

cruciale in questo processo, e le caratteristiche del materiale influenzano

significativamente il livello di attivazione del complemento.

Interazione tra sistema del complemento e cascata della coagulazione mediata

da superfici artificiali:

1. L’adesione del fattore XII alla superficie rivestita dall proteine lo attiva

2. Il FXII attivato genera trombina

3. La trombina attiva le piastrine

4. La trombina attiva i fattori del complemento

5. I fattori del complemento attivati inducono adesione e aggregazione delle piastrine

Attivazione del sistema del complemento da parte di materiali artificiali attraverso la

via alternativa

Punti Chiave dell'Immagine e Spiegazione Dettagliata:

1.​ "1. L'adesione del fattore C3 alle proteine adese al materiale lo attiva in C3b"​

○​ La prima fase cruciale è l'interazione tra le proteine del plasma sanguigno e la

superficie del biomateriale. Quando un biomateriale viene impiantato, le

proteine plasmatiche (come fibrinogeno, albumina, ecc.) si adsorbono

rapidamente sulla sua superficie.

○​ Il fattore C3, una proteina chiave del sistema del complemento, può interagire

con queste proteine adsorbite.

○​ Alcune superfici dei biomateriali, a causa delle loro proprietà chimiche e

fisiche, possono indurre un cambiamento conformazionale nel C3 attivandolo,

portando alla sua attivazione e scissione nei frammenti C3a e C3b.

○​ Questo processo è il punto di partenza della via alternativa del complemento.

2.​ "2. La produzione di C3b amplifica la generazione di nuovo C3b"​

○​ Una volta che si forma il primo C3b, questo frammento partecipa a un ciclo di

amplificazione.

○​ C3b si lega ad altre proteine del complemento (fattore B, fattore D) sulla

superficie del biomateriale, formando una C3 convertasi.

○​ La C3 convertasi è un enzima che scinde più C3 in C3a e C3b, creando un

feedback positivo che aumenta rapidamente la quantità di C3b sulla

superficie del materiale.

3.​ "3. Il fattore C3b prodotto si associa alla produzione di C3a, C5a e sc5b-9"​

○​ L'accumulo di C3b ha diverse conseguenze:

■​ Formazione della C5 convertasi: C3b si lega ad altre proteine del

complemento per formare la C5 convertasi, un enzima che scinde C5

in C5a e C5b.

■​ Produzione di C3a e C5a: La scissione di C3 e C5 porta alla

produzione di C3a e C5a, che sono potenti mediatori

dell'infiammazione.

■​ Formazione del complesso di attacco alla membrana (sc5b-9 o

MAC): C5b inizia la formazione del MAC, un complesso proteico che

crea pori nella membrana cellulare delle cellule bersaglio, portando

alla loro lisi (distruzione).

4.​ "4. Questi fattori attivano il riconoscimento degli anticorpi e il rilascio di

citochine dai leucociti"​

○​ I prodotti dell'attivazione del complemento hanno un impatto significativo sulle

cellule immunitarie:

■​ C3b come opsonina: C3b riveste la superficie del biomateriale,

facilitandone il riconoscimento e l'ingestione (fagocitosi) da parte dei

leucociti (cellule bianche del sangue) come i macrofagi. Questo

processo è chiamato opsonizzazione.

■​ C3a e C5a come chemoattrattanti: C3a e C5a attirano i leucociti nel

sito di attivazione del complemento, promuovendo l'infiammazione e

la risposta immunitaria.

■​ Attivazione leucocitaria e rilascio di citochine: L'interazione dei

leucociti con i componenti del complemento attivati (in particolare C3a

e C5a) induce il rilascio di citochine, molecole di segnalazione che

modulano la risposta immunitaria e infiammatoria.

5.​ "5. Il fattore H, un inibitore del complemento, si lega al C3B e riduce l'azione

del C3b"​

○​ È fondamentale che l'attivazione del complemento sia regolata per prevenire

danni eccessivi ai tessuti dell'organismo.

○​ Il fattore H è una proteina regolatrice del complemento che si lega a C3b e ne

inibisce l'attività, interrompendo il ciclo di amplificazione e prevenendo

un'eccessiva attivazione del complemento

REAZIONI DA CORPO ESTRANEO

La reazione da corpo estraneo (Foreign Body Reaction - FBR) è la risposta complessa e

dinamica che il sistema biologico innesca in presenza di materiali esogeni o "estranei"

introdotti nel corpo, come i biomateriali impiantati. Questa reazione è un tentativo

dell'organismo di isolare, inattivare o eliminare il materiale estraneo.

Caratteristiche chiave della FBR:

●​ R