Appunti esame Ingegneria tissutale

01 INTRODUZIONE

INTRODUZIONE ALL’INGEGNERIA TISSUTALE

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Definizione settore interdisciplinare che applica i principi dell’ingegneria e delle scienze della vita per

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sviluppare sostituti biologici che hanno lo scopo di ripristinare mantenere o migliorare una funzione

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tissutale o di un organo obiettivi superare le limitazioni di un approccio tradizionale del trapianto

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d’organo che principalmente riguardano la bassa disponibilità di organi e la possibilità di rigetto

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aumentare le capacità rigenerative dove già esistenti in quanto il nostro corpo ha alcuni meccanismi di

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riparazione intrinseci che dipendono del tipo di tessuto superare la mancanza delle capacità rigenerative

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dove non esistono evoluzione l’ingegneria tissutale si è sviluppata insieme ai biomateriali a partire

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dagli anni ’60 la prima pelle artificiale risale alla fine degli anni ’90 e negli anni 2000 si hanno le prime

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protesi di sostituti ossei progettati a partire da matrici contenenti cellule del tessuto osseo stesso

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prodotti sviluppati prodotti di successo pelle viene utilizzata una matrice di collagene costituita da

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una struttura multistrato cartilagine impiegata nelle infiltrazioni al ginocchio con idrogel caricati con

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cellule del tessuto connettivo che aiutano a ripristinare il tessuto cartilagineo ossa vengono impiantati

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degli scaffold ovvero strutture in polimero biodegradabile che vengono colonizzati da osteociti non

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vengono però usate per ossa scheletriche che supportano grandi carichi prodotti meno sviluppati vasi

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sanguigni si deve trovare un compromesso per lo spessore del vaso in modo tale che questo sia →

abbasta spesso da supportare la pressione sanguigna e abbastanza sottile per far penetrare i nutrienti

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nervi per reinstaurare la comunicazione nervo-muscolo prodotti in sviluppo tessuto mammario

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ingegnerizzato per superare le limitazioni delle protesi mammarie in silicone degradazione e

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infiammazione da corpo esterno si cerca di realizzare scaffold porosi in materiale plastico PCL questi si

degradano nel tempo e permettono di coltivare tessuto adiposo.

ELEMENTI CHIAVE DELL’INGEGNERIA TISSUTALE

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Cellule staminali e primarie in alcuni casi non risulta necessario ricorrere proprio a cellule staminali

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ma è possibile utilizzare cellule già differenziate le staminali possono essere prelevate direttamente dal

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paziente o indotte quindi riportate allo stadio staminale con una riprogrammazione di cellule adulte

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scaffold questi possono essere fatti di polimeri naturali collagene chitosano fibrina e acido

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ialuronico polimeri sintetici PLA PGL PCL ceramiche idrossiapatite tessuti decellularizzati si

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rompono i legami cellulari e rimane la matrice extracellulare è uno scaffold naturale biomolecole

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hanno la funzione di facilitare i processi cellulari importanti per la crescita di tessuti in vitro come la

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migrazione delle cellule la loro proliferazione e il differenziamento si parla principalmente di fattori

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di crescita stimolano la crescita e l’organizzazione del tessuto e sono specifici per ogni tessuto ad

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esempio il VEGF stimola la genesi di tessuto endoteliale citochine sono molecole di segnalazione e

comunicazione prodotte da molteplici cellule che regolano la risposta immunitaria e i processi di

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infiammazione con azione ravvicinata ormoni anche questi molecole di segnalazione e comunicazione

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ma sono prodotte da ghindale e viaggiano nel sangue avendo quindi azione a distanza nella promozione

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dello sviluppo dei tessuti come visto sia ormoni sia citochine sono molecole di segnalazione ma si

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differenziano per molteplici aspetti ORMONI CITOCHINE

Sorgente Prodotti da ghiandole endocrine Prodotte da varie cellule

(es tiroide) principalmente da cellule

immunitarie come macrofagi e

cellule endoteliali

Trasporto Viaggiano attraverso flusso Possono agire localmente oppure

sanguigno verso organi bersaglio sistematicamente nelle risposte

distanti immunitarie

Funzione Regolano processi fisiologici Svolgono un ruolo chiave nelle

come metabolismo crescita e risposte immunitarie,

sviluppo nell’infiammazione e nella

comunicazione cellulare

Specificità del target Agiscono generalmente su tessuti Agiscono su cellule vicine e

e organi distanti modulano le risposte

immunitarie

Esempi Insulina e cortisolo Interferoni e TNF

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Quindi in poche parole gli ormoni regolano i processi fisiologici più ampi in tutto l’organismo le

citochine sono maggiormente coinvolte nelle risposte immunitarie localizzate e nella comunicazione

cellulare.

STRATEGIE PER L’INGEGNERIA TISSUTALE

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Esistono 3 tipologie di strategie strategie basate su cellule prevede una prima fase di coltura cellulare

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e poi una fase di fabbricazione vera e proprio si possono realizzare colture bidimensionali ma anche più

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complesse come sferoidi sospensioni cellullari e printing strategie basate su scaffold ce ne sono di

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diverse tipologie possono essere 3D naturali e porosi strategie basate su gene activated scaffold

→ sono scaffold in cui si insericono molecole geneticamente modificate che trasportano pezzi di

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informazione genetica DNA o RNA forniscono stimolo genetico con sequenze nucleotidiche che

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vengono rilasciate nel tessuto in crescita

INGEGNERIA TISSUTALE VS MEDICINA RIGENERATIVA

INGEGNERIA TISSUTALE MEDICINA RIGENERATIVA

Obiettivo Sostituire o riparare tessuti o Ambito più ampio che

organi danneggiati comprende non solo l’ingegneria

dei tessuti ma anche meccanismi

naturali di riparazione del corpo

Strategia Rigenerazione principalmente in Rigenerazione direttamente in

vitro vivo

Approccio STEP 1: 1) Terapie basate su

produzione di tessuti totalmente impianti:

formati in vitro, seminando impianto nel corpo di una

cellule in una matrice matrice biomateriale (scaffold)

biomateriale (scaffold) con con o senza cellule per facilitare

biomolecole (fattori di crescita) la rigenerazione del tessuto in

STEP 2: vivo

impianto del tessuto rigenerato 2) Terapie con cellule

nel corpo staminali:

3) Terapie geniche

Applicazioni Tendono a concentrarsi sulla - Terapie sistemiche come

rigenerazione di tessuti specifici inversione di malattie

(pelle cartilagine ecc), tuttavia ad degerative

oggi la separazione con la - Rigenerazione di organi

medicina rigenerativa non è così danneggiati

netta

CELLULE E SCAFFOLD

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Fonti cellulari cellule primarie derivano direttamente dal tessuto di interesse cellule staminali

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cellule pluripotenti con la capacità di differenziarsi queste tipologie di cellule possono essere utilizzate

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con tecniche di coltura che possono essere monostrati 2D o sistemi di coltura 3D e bioreattori

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ovvero sistemi che possono migliorare la crescita delle cellule e lo sviluppo di tessuti ECM ha la

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funzione di fornire supporto strutturale e influenzare il comportamento delle cellule l’ECM è costituita

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principalmente da proteine polisaccaridi e glicoproteine scaffold scopo è una struttura che ha lo

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scopo di mimare la matrice extracellulare naturale per supportare a regolare crescita delle cellule

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funzioni capacità di influenzare il comportamento delle cellule tramite una serie di stimoli

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principalmente biochimici e fisici inoltre funge da filtro e veicolo per materiali nutrienti e per l’ossigeno

→ la sua particolare topografia viene studiata appositamente per una migliore adesione cellulare e per la

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trasduzione meccano-elettrica degli stimoli requisiti tutti gli aspetti da considerare per la realizzazione

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di uno scaffold artificiale aspetti geometrici forma e dimensione aspetti meccanici forze

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meccaniche ad esempio il tessuto cardiaca ha un modulo elastico di una decina di kPa quindi si dovrà

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cercare un materiale che abbia lo stesso modulo elastico e quindi una stiffness adeguata microambiente

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biochimico fattori di crescita legame tra cellule formazione dell’ECM rilascio controllato di

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molecole eventualmente inserite all’interno come pezzi di codice genetico per scopi specifici

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microambiente biofisico si fornisce i giusti stimoli fisici per il corretto sviluppo delle cellule prestando

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attenzione in particolar modo alla topografia dello scaffold ad esempio per un tessuto cardiaco creerò

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uno scaffold che si deforma in maniera periodica con una frequenza di 1-2 Hz biocompatibilità

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biodegradabilità porosità

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Materiali polimeri naturali collegane chitosano acido ialuronico alginato polimeri sintetici

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PLA PGA PCL ceramiche idrossiapatite compositi combinazione di mateiali naturali e

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sintetici tecniche di fabbricazione elettrospinning 3D printing freeze-drying ecc.

SFIDE → →

Vascolarizzazione sfida risulta estremamente difficile creare una rete funzionante di vasi sanguigni

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che è necessaria per lo sviluppo cellulare e il loro nutrimento importante perché senza una rete

vascolare i tessuti di pochi millimetri spesso muoiono perché le cellule centrali sono prive di ossigeno e

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nutrienti invece se lo strato cellulare è abbastanza sottile le sostanze riescono a penetrare all’interno per

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gradiente di diffusione seguendo la legge di Fick soluzioni promozione dell’angiogenesi combinando

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l’uso di VEGF fattore di crescita dell’endotelio che serve a promuovere la formazione dei vasi 3D

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printing e co-colture con cellule endoteliali quindi della linea dei vasi sanguigni nonostante tutto

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raggiungere una vascolarizzazione completamente funzionale rimane difficile immunogenicità e rigetto

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sfida i tessuti ingegnerizzati possono scatenare una risposta immunitaria se i materiali o le cellule

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vengono riconosciuti come estranei dall’organismo importante perché una risposta immunitaria può

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portare al rigetto del tessuto impiantato riducendone l’efficacia e la funzionalità a lungo termine

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soluzioni cellule autologhe quindi derivate dal corpo del paziente scaffold decellularizzati oppure

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materiali immuno-modulanti per ridurre il rigetto immunitario sorgente delle cellule sfida ottenere

una fonte affidabile ed etica di cellule per l’ingegneria dei tessuti è difficile in quanto le cellule staminali

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embrionali sollevano preoccupazioni etiche mentre le cellule staminali adulte possono essere difficili da

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prelevare in grandi quantità importante perché il successo dell’ingegneria dei tessuti dipende

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fortemente dalla disponibilità di cellule appropriate per i diversi tessuti soluzioni utilizzo di cellule

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staminali pluripotenti indotte i-PSC che vengono riprogrammate a partire da cellule adulte per

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comportarsi come cellule staminali embrionali tuttavia ottenere cellule differenziate di alta qualità a

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partire dalle i-PSC rimane ancora una sfida cellule differenziate immature design dello scaffold e

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biocompatibilità sfida progettare scaffold che imitino la matrice cellulare e forniscano l’ambiente →

corretto affinché le cellule crescano si differenzino e funzionino correttamente è un compito complesso i

materiali utilizzati devono essere biocompatibili biodegradabili e capaci di guidare la formazione del tessuto

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importante perché lo scaffold è la struttura di base dove crescono le cellule e se è troppo rigido o

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troppo morbido o se si degrada troppo rapidamente il tessuto potrebbe non svilupparsi correttamente

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soluzioni combinazioni di biomateriali come collagene alginato e polimeri sintetici tecniche di

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stampa 3D e biofabbricazione per creare scaffold complessi e specifici per il paziente integrazione

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funzionale con il tessuto ospite sfida anche se un tessuto può essere ingegnerizzato in laboratorio è

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difficile garantire che una volta impiantato si integri perfettamente con i tessuti del paziente importante

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perché se il tessuto ingegnerizzato non si integra correttamente potrebbe non funzionare come previsto

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o danneggiare il paziente soluzioni miglioramento della compatibilità meccanica e biologica dei tessuti

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per garantire una comunicazione efficace con i tessuti ospiti circostanti scalabilità e produzione sfida

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produrre tessuti in grande quantità mantenendo qualità e funzionalità rappresenta una sfida

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significativa importante perché affinché l’ingegneria tissutale sia commercialmente sostenibile e

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ampiamente applicabile in contesti clinici sono essenziali processi di produzione scalabili ovvero

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produzione in grande quantità senza aumento significativo dei costi soluzioni sviluppo di metodi

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automatizzati e standardizzati per aumentare la produzione dei tessuti vitalità e funzione a lungo

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termine sfida garantire che i tessuti ingegnerizzati funzionino correttamente nel tempo è ancora un

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problema i tessuti devono sopravvivere e mantenere la loro funzionalità nel corpo per anni

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importante perché il successo a breve a termine in laboratorio non garantisce la sopravvivenza o

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l’integrazione a lungo termine soluzioni non esiste un approccio standard e sono necessari studi a

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lungo termine per validare qualsiasi nuova strategia sfide etiche sfida l’ingegneria tissutale solleva

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questioni etiche in particolare quando si utilizzano cellule staminali umane e modificazioni genetiche

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importante perché importante per garantire fiducia nel pubblico soluzioni gli enti regolatori stanno

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sviluppando linee guida per una ricerca responsabile su cellule e tessuti ingegnerizzati sfide di

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standardizzazione sfida necessità di protocolli standardizzati per produzione test e controllo qualità

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importante perché per garantire sicurezza ed efficacia soluzioni sono in corso tentativi di

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standardizzazione ma il campo è ancora troppo immaturo lo svantaggio è che non abbiamo linee guida

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da seguire ma questo può essere anche un vantaggio perché lascia più spazio alla creatività sfide

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normative sfida il percorso normativo per l’approvazione dei tessuti ingegnerizzati è complicato e

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varia da paese a paese importante perché l’approvazione è essenziale per l’uso clinico dei tessuti

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ingegnerizzati soluzioni gli enti regolatori stanno sviluppando linee guida per l’uso responsabile dei

tessuti ingegnerizzati ma il campo si evolve rapidamente quindi è difficile mantenere le normative

aggiornate.

DIREZIONI FUTURE → →

3D bioprinting e biofabbricazione prospettive future posizionamento preciso di cellule fattori di

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crescita e biomateriali strato per strato per creare strutture tissutali complesse e creazione di tessuti e

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organi specifici per il paziente applicazioni impianti e protesi personalizzati stampa di tessuti

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vascolarizzati potenziale stampa di organi interi a lungo termine vascolarizzazione integrazione

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tissutale prospettive future risolvere la sfida della vascolarizzazione per crescere tessuti più grandi e

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complessi tramite cellule endoteliali e fattori di crescita vasi sanguigni biostampati e sviluppo di

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biomateriali che favoriscano la crescita dei vasi dopo l’impianto applicazioni costruzione di tessuti

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spessi e funzionali con sufficiente apporto di sangue accelerazione dell’integrazione dei tessuti nei

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trapianti ingegnerizzati e miglioramento della sopravvivenza e funzionalità dei tessuti impiantati

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organs on chip e modelli microfluidici prospettive future simulare le funzioni degli organi su un chip

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dove i tessuti ingegnerizzati dove i tessuti possono imitare l’ambiente dinamico del corpo umano

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compreso flusso sanguigno apporto di nutrienti e rimozione dei rifiuti applicazioni test di farmaci e

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medicina personalizzata modellazione di malattie es cancro e diabete e riduzione dell’uso di animali

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per test farmacologici e tossicologici

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tecnologie di editing genetico prospettive future modificare geneticamente le cellule tramite

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tecnologie di editing genetico come CRISPR per migliorare la funzionalità cellulare ridurre l’immugenicità

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e correggere i difetti genetici prima dell’impianto applicazioni impiantare tessuti con proprietà

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rigenerative potenziate creare tessuti compatibili con il sistema immunitario del paziente per

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minimizzare il ri