applicazioni ingegneristiche in ambito biomedico

Applicazioni ingegneristiche in ambito biomedico

La biocompatibilità

Tutti i materiali che vengono inseriti nel corpo umano e le loro geometrie e funzioni non devono indurre reazioni che mettano a rischio l’organismo stesso. Quindi, devono essere valutate tutte le caratteristiche che i materiali hanno e come questi reagiscono a contatto con il corpo una volta impiantati. Per ottenere dei materiali biocompatibili si devono prendere in considerazione sia gli aspetti clinici che quelli economici, che sono due aspetti intrecciati, dato che scegliendo un dispositivo efficace a livello clinico, si otterrà anche maggiore efficienza e successo a livello economico.

È comunque normale che non si riesca mai ad ottenere un dispositivo completamente biocompatibile, dato che l’unico materiale perfetto è quello del nostro stesso organismo. Quindi ci si deve limitare a progettare in maniera ottimale e usare i materiali artificiali che riescano a dare una risposta biochimica efficace e che allo stesso tempo non richiedano una troppo frequente sostituzione per problemi legati all’usura o similari.

È necessario tenere conto delle proprietà superficiali dei materiali che andranno impiantati: la loro composizione chimica, la loro forma, la presenza di cariche sulla superficie e gli aspetti legati alla topografia sulla risposta biologica, come l’adesione delle piastrine, la coagulazione, la formazione di trombi e lo sviluppo di infezioni.

Composizione del sangue e ruolo delle piastrine

Per comprendere meglio questo aspetto, si richiama la composizione del sangue, dato che è composto da:

• Plasma
  • Acqua
  • Ioni
  • Molecole organiche: amminoacidi, proteine (perlopiù albumina e poi anche globuline, fibrinogeno), glucosio, lipidi, rifiuti
  • Tracce di elementi e vitamine
  • Gas: CO2, O2
• Parte corpuscolata
  • Globuli rossi: 45%; con numero maggiore per i maschi e diametro di circa 7 micron ma che essendo di una forma deformabile riesce comunque a passare anche attraverso i capillari che presentano un diametro minore.
  • Globuli bianchi: linfociti (infezioni virali), monociti (infezioni batteriche e fungine, malattie infiammatorie), neutrofili (infezioni, infiammazione), eosinofili (allergie, infezioni da parassiti), basofili (infezioni croniche, reazioni allergiche verso alimenti)
  • Piastrine: diametro di circa tra 2 e 3 micron.

Le piastrine si mettono intorno ai globuli rossi che si muovono perché hanno una velocità diversa ai due estremi, quindi ruotano oltre a seguire il loro normale percorso. Ciò vuol dire che dato che le piastrine stanno intorno ai globuli rossi, esse potranno andare direttamente a contatto con il materiale del dispositivo impiantato e andare poi incontro ad una grossa trasformazione.

Normalmente le piastrine sono come dischetti tondeggianti senza particolari pseudopodi sopra. Possono andare incontro all’attivazione, che può essere causata dal contatto con il dispositivo impiantato, e questa attivazione comporta l’espulsione di alcune propagini che creano degli pseudopodi. Quindi è come se si allungassero e vanno incontro all’adesione tra una piastrina all’altra e all’adesione poi con il substrato, fino ad andare quasi ad appiattirsi sul substrato (spreading piastrine) creando così una specie di layer utile per esempio quando si ha una piccola emorragia per evitare la fuoriuscita di sangue.

Processi di coagulazione

Le piastrine sono prodotte mediante disgregazione dei megacarioblasti, con una vita media di 10 giorni. All’interno delle piastrine, quando queste non sono attivate quindi sono indeformate, ci sono molti granuli piastrinici, ma quando si attivano, questi granuli si avvicinano alla superficie e poi il loro stesso contenuto viene rilasciato al di fuori. All’interno della proteina si trovano: lisosomi, granuli T (con al loro interno i fattori della crescita, della coagulazione e immunitaria, le citochine e le chemochine che mediano la risposta e che sono molecole che fanno attivare altre molecole), e i granuli gamma.

I fattori della coagulazione sono di fondamentale importanza in questo caso. Riprendendo la cascata della coagulazione: il meccanismo si basa su due strade che possono avvenire e che poi si combinano a formare il trombo. La strada o processo primario dipende di più dalla produzione piastrinica, mentre il secondo produce la trombina e poi la fibrina. La via intrinseca prevede che dei fattori scatenanti (come può essere una lesione di un vaso) portino alla modifica del fattore XII (è una proteina) che viene attivato tramite la perdita di un frammento. In particolare, l’attivazione di questo fattore, chiamato anche fattore di Hegeman, si verifica quando il sangue entra a contatto con la matrice extracellulare, in particolare con le macromolecole di collagene. La cascata prosegue con la produzione del resto dei fattori, come il fattore XIa, che in presenza di ioni calcio, attiva a sua volta il fattore IX, che è l’attivatore del primo elemento della via comune.

La via estrinseca: il fattore IXa, insieme ad altri componenti di quello che viene definito “complesso tenasico”, ovvero gli ioni Ca²⁺, e dei fosfolipidi attivano il fattore X in Xa.

Una volta attivato il fattore X in fattore Xa, quest’ultimo va ad interagire con il fattore Va, con ioni calcio e fosfolipidi per dare origine all’enzima protrombinasi o complesso protrombinasico, che determinerà poi l’attivazione della protrombina in trombina (fattore IIa), la quale determina la proteolisi e l’attivazione del fibrinogeno in fibrina, che è una tappa fondamentale per la formazione del coagulo. Ora tutte le molecole di fibrina prodotte interagiscono tra di loro formando il coagulo morbido di fibrina. Si arriva alla cessazione della cascata tramite l’intervento di un cofattore chiamato EDTA (acido etilendiamminotetracetico) che blocca l’azione del calcio nell’attivazione del fattore IX della coagulazione.

Riassumendo: quando le piastrine trovano il sottoendotelio esposto, magari in seguito alla lesione di un vaso, si attivano, si deformano, producono gli pseudopodi, aderiscono tra di loro e poi al substrato e rilasciano il contenuto dei loro stessi granuli, rilasciando così i fattori della coagulazione che sono in grado di attivare la protrombina in trombina e il fibrinogeno viene trasformato in fibrina.

Interazione del fibrinogeno e coagulazione

Il fibrinogeno è formato da una lunga catena di amminoacidi, composta a sua volta da 3 catene che terminano tutte con amminoacidi con l’estremo carbossilico e amminico. Se la trombina crea una reazione di idrolisi, che permette di staccare i fibrinopeptidi, la molecola di fibrinogeno può aggregarsi ad altri e produrre la fibrina, che quindi è una fibra costituita da tanti monomeri, che può creare poi il reticolo della fibrina, che a sua volta sarà in grado di inglobare le piastrine e anche i globuli rossi.

Normalmente, la reazione della coagulazione permette di riparare i piccoli danni dei capillari, ma c’è comunque un sistema che permetterà di ristabilire la situazione iniziale, mediante la rimodellazione del coagulo. Per risolvere il coagulo esiste un sistema naturale: la fibrinolisi, ovvero la lisi della fibrina, ovvero smontare tutti i pezzi della fibrina per poi arrivare a smontare il coagulo. Tutto ciò è un sistema molto simile alla cascata della coagulazione, solo che qui se ne crea una per dissolvere il coagulo, l’unica differenza è che è una cascata che prevede un tempo più lungo, e tutto avviene tramite l’attivazione del plasminogeno che produce poi la plasmina che dissolve il coagulo.

Un farmaco che può essere usato è l’urokinasi che permette di attivare la plasmina e quindi permettere la dissoluzione del coagulo. Quindi, per garantirci la biocompatibilità, ciò che bisogna fare è ingannare le piastrine e cercare di fare in modo che quando le piastrine toccano la superficie del dispositivo impiantato, non lo riconoscano come estraneo e quindi non inneschino la cascata della coagulazione.

Interazione delle superfici con il sangue

Abbiamo visto già come il contatto tra le superfici dei dispositivi con il sangue possa portare alla formazione di trombi, creando dei problemi sia per il ripristino della circolazione, ma anche per la funzione di barriera della parete vascolare. Questa è una barriera molto particolare perché deve permettere degli scambi tra gli elementi del sangue e le cellule che compongono la parete e poi anche quelle del tessuto circostante.

La prima cosa da richiamare è la possibilità per il sangue di poter scorrere su una superficie quando questa è rappresentata dalla superficie naturale dei vasi. A livello istologico, la componente cellulare che riveste la superficie dei vasi è proprio la cellula endoteliale, che riveste il lume interno dei vasi e quindi è la cellula che sta sulla parete del vaso proprio nella parte endoluminale.

Questa cellula normalmente ha una membrana di doppio strato di fosfolipidi, particolarmente affollata da molecole disposte trasversalmente allo strato stesso, in particolare molecole che sono una combinazione tra una parte proteica e una parte di carboidrati, questi ultimi sono normalmente degli eparansolfati e acido ialuronico. Questa combinazione di proteine con la parte dei carboidrati permette di instaurare un layer di molecole che permette l’interazione tra il fluido, che in questo caso è l’acqua plasmatica, e la superficie della cellula.

La funzione del glicocalice

Questo tipo di rivestimento permette di far interagire gli elementi circolanti in maniera molto particolare: la prima cosa è che tutti gli elementi circolanti non possono arrivare direttamente sulla superficie della cellula. La seconda cosa è il fatto di avere all’interno di questo strato diverse cariche e diverse condizioni di idrofilicità e idrofobicità. Questo permette ad alcuni elementi del sangue di non arrivare direttamente a contatto con la parete.

Queste proteine e carboidrati sono normalmente costituiti da una catena composta da proteoglicani, che si collegano con gli eparansolfati, in intimo contatto con delle lunghe molecole di acido ialuronico. Si tratta quindi di una struttura che, anche se normalmente ci dimentichiamo che sia presente sulla superficie della cellula, è stata ben documentata con il microscopio elettronico, dal quale si vede uno strato di glicoproteine, chiamato glicocalice, sotto il quale c’è la parte grigia e striata del citoplasma della cellula, mentre la membrana costituita dal doppio strato di fosfolipidi non è molto visibile perché è molto sottile rispetto all’immagine complessiva che si ottiene, mentre è ben visibile come la propaggine del glicocalice si diffonde verso il centro del vaso.

Dal diagramma è possibile notare come, se c’è una presenza di una carica, le cariche dello stesso segno vengono respinte dalla parete. Quindi, se questo strato di glicocalice è costituito dagli elementi descritti in precedenza, la sua carica è negativa. Tutte le proteine hanno una carica superficiale e prevalentemente hanno di solito delle cariche negative, quindi non si avvicinano in maniera troppo intima alla parete ma rimangono più distanziate. La stessa cosa succede per le piastrine, anche se hanno delle cariche elettriche negative sulla loro superficie, e sono delle cariche elettriche molto deboli, permettono comunque alla piastrina di non aderire completamente. Questa situazione è molto favorevole perché permette agli elementi circolanti di continuare a circolare e non arrivare in intimo contatto e urtare la parete, perché altrimenti, un continuo urto di queste grosse strutture, come possono essere le proteine, contro una membrana cellulare, potrebbe addirittura creare dei danni.

Scorrimento del sangue nei vasi

Il fatto di avere questo strato di glicocalice preservato permette proprio di far scorrere il sangue all’interno dei vasi. In particolare, per un vaso normale, come può essere un capillare, ci si immagina che al suo interno si muoverà un globulo rosso, che sarà separato da uno strato di plasma, ma anche le piastrine non arriveranno completamente in contatto con l’endotelio. Se le piastrine passano in contatto con l’endotelio, ciò porterebbe alla loro attivazione e successiva adesione, perché nel sottoendotelio incontrano sicuramente le proteine del collagene e incontrerebbero anche un’altra proteina, il fibrinogeno. Il fatto di incontrare questa molecola permette alle piastrine di interagire con essa e quindi semplicemente di instaurare il legame tra la piastrina e il fibrinogeno. Tuttavia, se la piastrina viene attivata e rilascia i mediatori della coagulazione, il fibrinogeno si trasforma in fibrina.

Struttura e funzione del fibrinogeno

Il fibrinogeno è una proteina ingombrante e larga dal punto di vista dell’ingombro sterico. Infatti, è possibile vederla direttamente al microscopio elettronico, il che è strano perché di solito per le altre proteine ciò che si può vedere è soltanto una ricostruzione tridimensionale della proteina stessa, ma non sono delle visualizzazioni reali. In questo caso, invece, è possibile vederla direttamente. La struttura del fibrinogeno è una struttura allungata che presenta dei fibrinopeptidi in corrispondenza della parte centrale della macromolecola, in modo tale da costituire un legame tra una molecola e l’altra quando questi fibrinopeptidi vengono eliminati. Questo vuol dire che tante molecole di fibrinogeno possono costituire una fibra, e dalla fibra si potrà poi costituire un reticolo capace di bloccare la fuoriuscita di sangue una volta che si instaura la reazione della coagulazione.

Ciò che ci interessa riguarda l’interazione delle piastrine con i materiali artificiali, poiché il materiale non avrà un rivestimento come quello del glicocalice, e quindi ci si aspetta che ci sia qualcosa che possa permettere agli elementi circolanti di aderire alla superficie artificiale. In particolare, l’adesione delle proteine sarà quella che ci interessa di più per vedere a cosa comporta. Se su una superficie estranea all’organismo aderisce il fibrinogeno, può darsi che le piastrine che vengono in contatto con questo strato possano attivare un comportamento tra la molecola di fibrinogeno e il recettore piastrinico. Ci sono diversi recettori sulle piastrine, come GPIIb e GPIIIa, che mettono in collegamento i frammenti del fibrinogeno della parte esterna della molecola (frammenti alfa, beta e gamma) con il recettore delle piastrine.

A questo punto, la piastrina si attiverebbe e, se si attiva, rilascia un enzima chiamato trombina. Questo enzima produce la polimerizzazione del fibrinogeno e quindi crea la fibrina. Questa reazione andrà avanti a catena e permetterà quindi di reclutare altre piastrine e un certo numero di fibre di fibrinogeno e di fibrina che potrebbero creare la nascita del trombo.

Bisogna capire come mai il fibrinogeno aderisce alle piastrine. Il fibrinogeno circola liberamente nel plasma e le piastrine circolano liberamente nel plasma. Potrebbe essere che le piastrine, incontrando il fibrinogeno, facciano avvenire la reazione del fibrinogeno con il recettore e, a questo punto, si attiverebbe la piastrina anche se circolante. Tuttavia, questo potrebbe poi aggregarsi con altre piastrine attivate e creare una coagulazione disseminata; questo in effetti non succede, succede quando la piastrina è attivata, ma soprattutto succede quando il fibrinogeno è distribuito su una superficie.

Interazione del fibrinogeno con i materiali

Se il fibrinogeno è circolante e le piastrine circolano, non avviene l’interazione tra la piastrina e la molecola. Quando invece il fibrinogeno è distribuito su una superficie, c’è un cambiamento della sua conformazione e vengono esposti dei suoi siti di legame, e la piastrina aderisce al fibrinogeno. Bisogna quindi capire come i materiali possono interagire con una proteina come il fibrinogeno, perché in questo caso si dovrebbe cercare di impedire che sul materiale si possano depositare delle proteine. Se si evitasse l’interazione del fibrinogeno con la superficie del dispositivo artificiale, si potrebbe bloccare questo tipo di reazione.

Questa reazione normalmente avviene con i materiali artificiali, a meno che questi abbiano delle caratteristiche particolari. Quando il fibrinogeno aderisce al materiale, espone dei siti di legame che non sono utilizzabili dalla piastrina quando il fibrinogeno è circolante; quindi, il fatto di riuscire ad esporre questi siti di legame permette alla piastrina di ancorarsi, di cambiare la sua conformazione, esporre i suoi pseudopodi e espellere il contenuto dei suoi granuli.

A questo punto, inizia la formazione del trombo, che non avviene sulla superficie naturale dei vasi, ovvero sulla cellula endoteliale, ma che può avvenire se la superficie del vaso è danneggiata. Questo è un oggetto di interesse perché è una condizione da evitare, soprattutto in caso di condizioni patologiche.

Condizione fisiologica e interazione con la parete danneggiata

Per quanto riguarda l’interazione delle piastrine e del fibrinogeno con una parete danneggiata, si può osservare cosa succede all’interno di un vaso: nella parte di sinistra è rappresentata la condizione fisiologica in cui ci sono tanti sistemi che impediscono alle piastrine di aderire, sistemi che bloccano dei recettori.