Appunti Bioingegneria chimica Parte 2

BIOINGEGNERIA CHIMICA Prof Petrini e Mantero, 2019/2020

Di Gabriele Santicchi

Sommario

BIOCOMPATIBILITA' ........................................................................................................................................................................... 2

VALUTAZIONE RISPOSTA BIOLOGICA DEL MATERIALE ......................................................................................................................... 3

1. TEST IN VITRO (Test Cellulari) ..................................................................................................................................................... 3

2. TEST IN VIVO (Impianti in modello animale) ............................................................................................................................... 4

PROCESSO INFIAMMATORIO ............................................................................................................................................................. 6

INFIAMMAZIONE ACUTA ............................................................................................................................................................... 6

INFIAMMAZIONE CRONICA............................................................................................................................................................ 7

SISTEMA IMMUNITARIO .................................................................................................................................................................... 8

IMMUNITÀ NATURALE (Non specifica-congenita) ........................................................................................................................... 8

IMMUNITÀ ACQUISITA (Adattativa, specifica) ................................................................................................................................. 8

Immunita’ umorale (Linfociti B - AC) ......................................................................................................................................... 8

Immunita’ cellulo mediata (Linfociti T) ....................................................................................................................................... 8

SISTEMA LINFATICO ....................................................................................................................................................................... 8

ANTIGENI ...................................................................................................................................................................................... 8

ANTICORPI .................................................................................................................................................................................... 9

Il sistema del complemento (SC) ................................................................................................................................................ 9

SISTEMA EMOSTATICO .................................................................................................................................................................... 10

Coagulazione .............................................................................................................................................................................. 10

PERCORSO INTRINSECO: .......................................................................................................................................................... 10

PERCORSO ESTRINSECO: .......................................................................................................................................................... 10

Processo di Fibrinolisi .................................................................................................................................................................. 10

ADSORBIMENTO PROTEICO ......................................................................................................................................................... 11

PROTEINE ....................................................................................................................................................................................... 11

LA CELLULA ..................................................................................................................................................................................... 13

TESSUTO CONNETTIVO .................................................................................................................................................................... 14

ENDOCITOSI ............................................................................................................................................................................... 14

CHEMIOTASSI .............................................................................................................................................................................. 15

MASTOCITI. ................................................................................................................................................................................. 15

MACROFAGI .............................................................................................................................................................................. 15

FIBROBLASTI ............................................................................................................................................................................... 15

SANGUE ...................................................................................................................................................................................... 16

CELLULE ENDOTELIALI ................................................................................................................................................................. 16

Angiogenesi............................................................................................................................................................................. 16

PROTESI VASCOLARI ........................................................................................................................................................................ 17

PROTESI D’ANCA.............................................................................................................................................................................. 18

PROTESI CARDIACHE ....................................................................................................................................................................... 21

DECELLULARIZZAZIONE ................................................................................................................................................................... 23

BIOMATERIALI ................................................................................................................................................................................. 24

CLONAZIONE ............................................................................................................................................................................... 24

1- Bioingegneria Chimica Gabriele Santicchi 2019/2020

BIOCOMPATIBILITA'

capacità del materiale di generare una risposta appropriata in un sistema ospitante, data una determinata applicazione. Analisi della

biocompatibilità di tutti i dispositivi all'interno di un organismo vivente

Nostro organismo accoglie SOLO mat.AUTOLOGHI (cellule del paziente stesso);

Se non autologo e NON VIVENTE --> Formazione strato fibroso -> Rimozione corpo estraneo (es. protesi)

Se non autologo e VIVENTE -> Eliminazione/RIGETTO ogg (CICLOSPORINE: Evita rigetto cell di corpo ext)

RIGETTO: Chiusura tutti vasi che portano all'organo -> Apoptosi cell ext.

Rigetto è fenomeno in seguito a riconoscimento estraneo complesso di ISTOCOMPATIBILITA'

REAZIONE IMMUNITARIA: RIGETTO

REAZIONE INFIAMMATORIA: REAZIONE AL CORPO ESTRANEO

Non sono scollegate tra di loro; intervengono entrambi quando arriva segnale, poi viene riconosciuto il materiale --> prevale 1

reazione tra le due a sec del tipo di mat

DEFINIZIONI:

BIOCOMPATIBILITÀ DEI DISPOSITIVI: abilità del dispositivo di svolgere la sua specifica funzione, con il desiderato grado di incorporazione nel tessuto

ospite, senza provocare alcun effetto locale o sistemico indesiderato in tale tessuto. I sistemi che generano un effetto sistemico sono il sangue, il

sistema linfatico,...

BIOCOMPATIBILITÀ DEGLI SCAFFOLD: abilità del supporto di comportarsi come substrato in grado di supportare l'appropriata attività cellulare,

includendo la facilitazione di sistemi di segnali molecolari e meccanici in modo da ottimizzare la rigenerazione dei tessuti, senza provocare alcun

effetto locale o sistemico indesiderato sull'ospite.

BIOSICUREZZA: esclusione di possibili danni seri causati dal materiale a carico dell'organismo ospite.

BIOFUNZIONALITÀ: capacità del materiale di stimolare nell'ospite la risposta desiderata per la specifica applicazione.

BIOMATERIALI

Suddivisione in artificiali (polimeri,ceramici, metalli) e naturali (viventi e non)

- MATERIALI ARTIFICIALI SINTETICI si dividono in 3 categorie:

1) METALLI: >>proprieta' meccanica, ma si corrodono! <-> necessario ridurre corrosione (liberazione di ioni)

2) POLIMERI: sono a base di C; MAX compatibilità. Non si corrodono ma degradano -> <peso molec. -> <<prop meccaniche

3) CERAMICI: duri, INERTI, fragili -> NO adatti a zone soggette a urto. Resist >> a compressione -> adatte ad es. x valv cardiache

- MATERIALI NATURALI da paziente stesso o corpo/animale altrui. VIVENTI (Organi) e NON VIVENTI (Cellule)

1) AUTOGRAFT: Materiale ottenuto da paziente stesso (MAX compatibilità).

Tuttavia trapianto termine utilizzato per tessuti organi non del paziente stesso.. TESSUTO è composto da cellule + ECM; E'

possibile rimuovere componente cellulare; prestazioni meccaniche NON alterate! <-> sono influenzate dalla matrice

-> 2) HOMOGRAFT Organo/tessuto senza cellule, prelevati da umano -> NO PROBLEMA RIGETTO

-> 3) ETEROGRAFT Prelevati da animale; reazioni compatibili a mat polimerici

BIOCOMPATIBILITA' PROTESI: 3 CLASSI

Tipo compatibilità/dipende da.. ? FORMA/PESO/ MATERIALE

ANATOMICA (Considera forma, geometria, densità..) SI all'80% SI al 20%

FUNZIONALE (Dispositivo ripristina e quanto la funzione orig persa? E' autonomo o SI al 10% SI all'90%! Bisogna

supporti farmacologici? Per quanto tempo mantiene la funzione?) considerare le prop

meccaniche di esso!

BIOLOGICA (Dipende dall'interfaccia; tessuto più difficile da controllare è sangue, SI al 20% SI al 80%

perchè coagula con qualsiasi mat. tranne endotelio)

2- Bioingegneria Chimica Gabriele Santicchi 2019/2020

INTERAZIONE BIOMATERIALE-CORPO UMANO

A: EFFETTO DELL'IMPIANTO SULL'OSPITE: cosa può provocare il dispositivo all’ospite?

- CARCINOGENESI. Il dispositivo provoca tumore. Questo effetto è remoto, in una curva di probabilità è al minimo

- INFEZIONE: (!= da infiammazione! Fenomeni != ). Reazione con sistema immunitario perché sono entrati nel corpo batteri o virus

non desiderati (CAUSA ESOGENA). È una manchevolezza durante l'intervento chirurgico.

- INFIAMMAZIONE: O per ingiuria chirurgica o per i continui movimenti tra i dispositivo e ospite. Presente quando ci sono virus e

batteri estranei ma anche in presenza di lacerazioni, in presenza di materiali estranei -> Obiettivo: distruzione di agenti estranei. Se

sono batteri -> interviene anche reazione immunitaria

-CITO E EMOTOSSICITÀ: Da evitare; NON esiste alcun materiale EMOCOMPATIBILE al 100%, perché è tessuto critico (e coagula)

-SENSIBILIZZAZIONE ALLERGICA, TOSSICITÀ SISTEMICA E REAZIONI IMMUNITARIE. L'impianto genera una situazione catastrofica.

-FORMAZIONE DI EMBOLI: coagulo che si è formato nella protesi che non è sta attaccato alla protesi ma parte seguendo il flusso di

sangue. -> si blocca in vaso arterioso con diam simile -> può provocare infarto (se nel cuore) ictus (nel cervello), necrosi (arto/org)

B: EFFETTO DELL'OSPITE SULL'IMPIANTO

-USURA. Causa: scorrimento relativo -> produz frammenti (=corpi estranei) -> Processo infiammatorio

-FATICA MECCANICA: rottura in seguito a numero elevato di cicli. In più l'organismo umano butta fuori enzimi lisosomiali molto acidi

e aggressivi che possono fessurare il materiale. Le sue sezioni locali diminuiscono tutte.

-OSSIDAZIONE, FESSURAZIONE SUPERFICIALE.

-ENVIRONMENTAL STRESS CRACKING. Ho mat dentro un ambiente aggressivo che subisce degli sforzi. Effetto chim/meccanico

-ASSORBIMENTO DEL MATERIALE DAI TESSUTI, DEGRADAZIONE ENZIMATICA

-CALCIFICAZIONE DEI MATERIALI, soprattutto a contatto con il sangue mat subiscono fenomeni di calcificazione. Subiscono processi

di calcificazione i materiali naturali. Il metallo non calcifica, un homograft può calcificare.

Il primo evento che avviene a seguito dell'impianto: SUPERFICIE RIVESTITA DA UNO STRATO PROTEICO: avviene adsorbimento di

proteine e tutti gli eventi successivi dipendono da che proteine sono adsorbite sul materiale (COAGULAZIONE avviene se adsobite

prot della coagulaz!) -> Meglio rivestire prima mat con prot volute per evitare problema.

VALUTAZIONE RISPOSTA BIOLOGICA DEL MATERIALE

Le 2 categorie di TEST (IN VITRO e IN VIVO) seguono normativa ISO 10993; essa descrive i 18 test da effettuare per valutare la

compatibilità (indicazioni operative molto precise (tempi, quantità..)

1. TEST IN VITRO (Test Cellulari) 2 tipi di TEST:

1.1 CITOTOSSICITA' nei confronti di cellule in vitro; analisi della variazione della loro normale funzionalità.

Test indiretto: come le cell reagiscono ai prodotti di degradaz del materiale. Si pone materiale su vetrino e liquido MEDIUM

(fisiologico) a contatto con il mat; se il mat rilascia sostanze, esse finiscono nel M; Prendo il M e ci coltivo le cellule su

vaschetta nuova; le faccio crescere: se mat ha rilasciato sost tossiche -> MORTE cell; altrimento NO differenze con cell iniziali

Test diretto: mat in esame messo nella piastrina con le cellule e M. Si valuta contatto tra cell-mat; mat solitamente rilascia

ioni metallici (se tanti -> pericolo). Residui: ingeriti da macrofagi ->inglobano partic all’int della cell. Analisi

tossicità diretta, osservando ADESIONE, PROLIFERAZIONE, SECREZIONE CELLULARE adeguata.

Come faccio a capire se le cellule sono vive o morte? METODI QUANTITATIVI (utilizzano analisi colorimetriche).



- TEST MTT: Nella coltura cell viene utilizzata sost (MTT) che si lega all'int delle cell vive -> Permette di visualizzare distribuz

cellule osservando quantità di formazano (cioè il prodotto) proporzionale alle cell vive. (MET QUALITATIVO)

- ALAMAR BLUE: I nuclei delle cellule vive sono blu, quelli delle cellule morte sono viola. (METODO QUALITATIVO: Guardo se

prevale blu o viola)

Vedere esempi sperimentali su slide capacità di causare anomalie

1.2 MUTAGENICITA' / CARCINOGENICITA':

genetiche tramite contatto diretto o indiretto con il materiale o con

sostanze da esso rilasciate.

SAGGIO DI AMES: rilevazione di mutazioni delle funzioni metaboliche dei

batteri.

1.3 CITOCOMPATIBILITA' CON SPECIFICO TESSUTO BIO

3- Bioingegneria Chimica Gabriele Santicchi 2019/2020

Ma quali tipo di cellule da utilizzare?

CELLULE: In grado di vivere in amb artificiale se trattate adeguatamente; anche organi, ma tessuti NO (Richiedono >>perfusione).

Due tipi di cell: a) PRIMARIE: Isolate (espiantate) da

paziente/organismo specifico; tuttavia nel corso del

tempo duplicazione decresce..

(Param biologici più realistici;

<<Riproducibilità, <<Reperibilità)

b) IMMORTALIZZATE (=Cell. DI LINEA) : Nascono come

primarie, ma con trasformaz chimiche/alterazione

codice genetico --> diventano cell 'tumorali' (si

duplicano >velocem, proprietà costanti, immortali; se

impiantati possono dare orig a tumore)

(Standardizzazione, >>Riproducilità,

>>Reperibilità; alterazione param crescita e

proliferaz cellulare -> Risposta NON fisiolog)

.. Di solito si usano le IMMORTALIZZATE, perchè risultati devono essere standardizzati

- VANTAGGI: Sensibilità a materiali tossici; condizione sperimentali std; saggi economici e rapidi

- SVANTAGGI: Ipersensibilità dovuta a accumulo metaboliti/sost tossiche; Risposte sperimentali per biocompat PARZIALE (<->

NON direttamente trasferibile all'uomo)

BIOFUNZIONALITA’ IN VITRO: analisi di determinati meccanismi del materiale con il tessuto; essi avvengono quando il materiale

entra in contatto con il tessuto vivente (IN VIVO); se ciò avviene in vitro.. si presuppone avvenga anche in vivo (non sempre vero)

1. ATTACCO CELLULARE

2. ADESIONE (SPREADING) CELLULARE

3. PROLIFERAZIONE CELLULARE

4. FUNZIONI BIOSINTETICHE SPECIFICHE PER IL TESSUTO CONSIDERATO

1 e 2: MICROSCOPIA OTTICA: Ingrandimento elevato + Colorazione cellule, per osservare i due fenomeni

INIBIZIONE DA CONTATTO: Se cellula in vitro è circondata da tutte altre cellule, se sono in confluenza e su piano Cominciano a



morire (si ‘staccano’) causa: NON riescono a costruire altro piano per aggregarsi, obbligate a stare su piano. Condizione migliore di

lavoro: 70% di confluenza

Vengono anche utilizzate MICROSCOPIA ELETTRONICA e A FLUORESCENZA

2. TEST IN VIVO (Impianti in modello animale)

Utilizzati quando TEST in VITRO risultano positivi;

Dopo l'intervento all'interfaccia non ho solo osso. Ho bisogno di un processo di guarigione (PROC INFIAMMATORIO, transitorio). Se

dopo 3 mesi ho ancora processo infiammatorio massiccio vuol dire che la protesi non ha funzionato. Se micromovimento relativo tra

la protesi e il tessuto che la accoglie PROC INF continua Fallimento; trovo NON l’osso ma callo (più molle) o parte infiammata .

 

ITER DI FRONTE A UN MATERIALE NUOVO:

1. lo metto in ambienti diversi di temperatura e pH.

2. TEST FUNZIONALE: sottoposto a cicli a fatica. Se rilascia qualcosa studio ciò che rilascia. In questo modo ho solo valutato la

biocompatibilità funzionale.

3. TEST IN VITRO: Metto mat in contatto con cellule immortalizzate e valutare ciò che succede.

4. Superati i 3