Bioingegneria chimica e materiali

TESSUTO CONNETTIVO

È formato da una parte fibrosa e da una cellulare.

Un tessuto connettivo è il sangue!

Nel connettivo ci sono due categorie di cellule:

• Fisse: trascorrono la loro vita nello stesso tessuto connettivo.

• Sono i condroblasti, fibroblasti, osteoblasti, odontoblasti, ossia le cellule dei tessuti di base che

caratterizzano il tessuto.

• In tutti i tessuti esiste una popolazione di cellule (macrofagi) che rimangono lì in attesa di segnali

esterni. Sono cellule in grado di eseguire un’attività fagocitaria, ossia di “mangiare” (incorporare

nel citoplasma) delle sostanze. Queste sostanze comprendono tutto ciò che normalmente non

dovrebbe trovarsi lì. Ad esempio, nel caso di una ferita chirurgica, i macrofagi fanno pulizia da

tutte le cellule danneggiate, parti di membrana, proteine, sangue… portando tutte queste

sostanze all’interno del citoplasma utilizzando i suoi pseudopodi. I macrofagi riutilizzano le

sostanze fagocitate, ad esempio se fagocitano parti di membrana, la riutilizzano. Il macrofago può

trovare, per esempio, detriti di usura di una protesi. Anche questi vengono introflessi nel

citoplasma del macrofago. Se il materiale non è biodegradabile, il macrofago usa gli agenti

corrosivi contenuti nei vacuoli per cercare di degradare il pezzo di detriti. Se questo materiale è,

per esempio, ad alto peso molecolare, il macrofago non riuscirà mai a degradarlo e rimarrà per

sempre nel macrofago. La cellula lo ingloberà in una membrana, ma questo frammento rimarrà

comunque nella cellula. Se il materiale è bioriassorbibile (come un frammento di filo di sutura

riassorbibile), il macrofago lo ingloba e il liquido lisosomiale riesce a distruggerlo, e i monomeri e

gli elementi costituenti del materiale possono essere riciclati.

• I mastociti sono anch’essi cellule presenti nei tessuti, anch’essi in attesa. Hanno la capacità di

secernere sostanze ad attività farmacologica, che possono aiutare a risolvere problemi in quel

punto. In particolare tra le sostanze prodotte, ci sono sostanze che attivano i macrofagi a

ϕ

fagocitare sostanze. =20-30μm

• Migranti: passano da un tessuto connettivo ad un altro tessuto connettivo.

• Globuli bianchi nel sangue: monociti, linfociti, granulociti neutrofili, eosinofili e basofili. Sono le

cellule che difendono da agenti esterni, o non riconosciuti. Migrano da un tessuto all’altro. Il tessuto

di provenienza è il sangue, circolano in esso, passano da quel tessuto connettivo ad altri tessuti,

ossia il connettivo. I globuli bianchi sono in grado di uscire dai capillari e fagocitare batteri o altri

corpi estranei.

Le cellule in grado di fagocitare sono:

• Macrofagi già presenti nei connettivi

• Cellule bianche: nel sangue hanno pochissime funzioni. Quando esce dal capillare, aderisce

immediatamente alla matrice, attivandosi e diventando un fagocita.

Fagocitosi frustrata: i macrofagi sono troppo piccoli per fagocitare un dato corpo esterno (come una protesi,

che è delle dimensioni di centimetri, molto più grande del macrofago). Più macrofagi si fondono formando

cellule giganti che formano una parete attorno al corpo estraneo.

Perché la fagocitosi sia possibile, le particelle devono attaccarsi alla superficie della cellula fagocitica.

Patogeni e cellule devono essere rivestiti da proteine sieriche (immunoglobuline e fattore del complemento):

il fagocita non riconosce la particella, ma l’anticorpo ad essa legato.

Le cellule sono in grado di portare altre sostanze nella matrice cellulare, questo meccanismo è detto

secrezione cellulare. Queste sostanze sono prodotte dalle cellule che attivano un frammento del proprio

DNA. Alcune di queste sostanze sono farmacologiche, altre sono, per esempio, il collagene. È un

meccanismo di continua comunicazione locale o non locale tra cellule. 20

CHEMIOTASSI

Globuli rossi, bianchi e piastrine continuano a muoversi nel vaso a meno che qualcosa non li fermi e li faccia

uscire dal capillare. I batteri sono un’origine di chemiotassi, che è quello che spinge la cellula ad uscire dal

vaso.

La chemiotassi può essere positiva (se attrae le cellule) o negativa (se le fa allontanare)

Come fa il globulo bianco nel sangue a rendersi conto che fuori dal capillare, ad una certa distanza, c’è

qualcosa che va eliminato? Ha un intermediario, che sono le cellule endoteliali che rivestono la superficie del

vaso (se il vaso è un piccolo capillare), e sono disposte con metà cellula (e quindi con i recettori interni)

diretta verso l’interno del vaso, e metà cellula (con i recettori esterni) diretta verso l’esterno del vaso. Queste

cellule riescono a leggere la situazione esterna del vaso e a trasferirla all’interno: sentono per chemiotassi

la presenza di un corpo dannoso, e attraverso molecole segnalano questa informazione al globulo bianco,

bloccandolo e facendo sì che esca dal capillare e ripulisca la zona dal materiale dannoso. Per il nostro

organismo la presenza di una protesi equivale ad un’enorme infezione batterica.

Altri fattori chemiotattici sono proteine denaturate, batteri, e fattori del sistema del complemento (legati al

sistema immunitario).

I mastociti sono in grado di secernere sostanze come i fattori chemiotattici, in aiuto ad altri meccanismi.

Sono anche in grado di produrre eparina (anticoagulante), ed istamina (legata al processo infiammatorio).

Un modo per valutare l’infiammazione di un tessuto è verificare se sono presenti molti macrofagi.

Anche i macrofagi sono in grado di sintetizzare sostanze che in altre situazioni possono essere

chemiotattiche. È il caso di piccole lesioni: i macrofagi secernono sostanze che attirano i globuli bianchi vicini,

stimolati a uscire dai capillari. Viene anche aumentata la permeabilità dei capillari per far diminuire lo sforzo

che il globulo bianco per uscire dai vasi. I macrofagi segnalano inoltre ai fibroblasti di produrre collagene per

richiudere le zone danneggiate e creare cicatrici. Il processo infiammatorio può ora spegnersi. Se la lesione

è creata da una protesi, come un impianto dentario, se il corpo esterno non è fermo rispetto al tessuto il

processo infiammatorio non cessa mai e diventa cronico. Il tessuto tende comunque a ricollegarsi con se

stesso: i fibroblasti producono una quantità molto alta di collagene, che viene apposto su tutta la superficie

laterale della protesi, che risulta rivestito da un film monostrato di collagene. Se finita la fase di infiammazione

acuta la protesi rimane ferma, l'infiammazione si spegne. Ma la protesi si trova in un tessuto mobile, quindi

l'infiammazione non si spegnerà mai e il film di collagene cresce in spessore e si irrigidisce. Un impianto

come una protesi dentale fallisce se si verifica questo fenomeno. I globuli rossi vivono circa 120 giorni. Alcuni

globuli bianchi vivono ore, altri decenni. Mediamente vivono poco perché sono continuamente richiamati.

Fibroblasti

Producono collagene che compone, tra le altre cose, le cicatrici e finisce sulle

protesi totalmente impiantate. Sono cellule mobili in grado di modificare la

loro forma.

Osteoblasti

Secernono la matrice ossea depositando continuamente nuovi strati di materiale osteoide, poi mineralizzato

e trasformato in osso duro. Alcuni restano liberi in superficie, altri sono inglobati nell’osso diventando

osteociti che occupano lacune e sono connessi agli altri osteociti da canalicoli. 21

Osteoclasti

Sono grosse cellule multinucleate discendenti dalle cellule staminali emopoietiche che erodono la matrice

ossea scavando in essa gallerie poi riempite da nuova matrice ad opera degli osteoblasti. In questo modo

sono responsabili del rimodellamento osseo.

IL SANGUE

È un tessuto connettivo difficile da trattare.

Distribuisce calore, trasportare gas, sostanze nutritive e prodotti categorici. Trasporta le cellule dai

tessuti emopoietici (midollo osseo) ad altri organi. Contiene agenti cellulari e umorali che

gestiscono le infezioni nell’organismo. A riposo (da fermo) coagula formando una massa

gelatinosa. La coagulazione è una polimerizzazione di sostanze naturali. Nelle protesi quindi non

devono causare ricircoli di sangue, analoghi a situazioni di sangue fermo.

Centrifugando il sangue si scompongono le componenti del sangue

• Ematocrito: 45% del volume totale del sangue, è fatto di globuli rossi

• Globuli bianchi: 1% del volume totale, colore bianco-grigio

• Plasma: acqua, proteine del sangue (albumina, fibrinogeno, ormoni…)

I globuli bianchi provengono dal midollo o dai tessuti dei linfonodi:

I linfociti provengono dai linfonodi, causano la reazione immunitaria. Neutrofili

e monociti intervengono nella reazione infiammatoria.

Reazione immunitaria: si ha quando bisogna combattere qualcosa di vivo

(cellule, batteri…) che non appartiene all’organismo, come nel caso di un

trapianto.

Reazione infiammatoria: è molto più veloce della reazione immunitaria,

quindi se i batteri introdotti nel corpo sono pochi è sufficiente la reazione

infiammatoria per distruggerli. Questa reazione è collegata alla reazione

immunitaria, che riceve da essa dei segnali. Se la zona è già stata ripulita dalla

reazione infiammatoria, la reazione immunitaria si spegne. Se la situazione è perenne (come trapianto o

grosso biomateriale) e l'infiammazione acuta non si spegne (protesi nei tessuti molli), la reazione

infiammatoria è molto più intensa della reazione immunitaria nel caso di biomateriali, o viceversa nel caso di

trapianti. Una delle due reazioni richiama l’altra, con intensità diversa.

Le cellule del sistema immunitario si chiamano linfociti.

CASO: IMPIANTO DENTALE CASO: PROTESI MAMMARIA

CASO: TESSUTO INGEGNERIZZATO

CASO: TRAPIANTO La reazione

immunitaria è

subito

abbattuta da

farmaci che

sopprimono il

sistema

immunitario.

La condizione di immunodepressione di un

trapiantato è simile a quella di un sieropositivo. 22

Il globulo rosso è una cellula piccola (≈7μm) e priva di nucleo, quindi non può riprodursi. Ha la forma di un

disco biconcavo, che dipende da pH, pressione osmotica… contiene emoglobina, che porta legate al ferro

le molecole di ossigeno. I globuli rossi costituiscono il coagulo. Hanno membrana apparentemente liscia,

perché non avendo nucleo non produce proteine e quindi non esprime nulla sulla sua superficie.

Le piastrine sono ancora più piccole dei globuli rossi (2-3μm). Hanno una superficie articolata. Ripristinano

la continuità del tessuto vascolare nel caso di lesioni, unendosi tutte insieme a tamponare la lesione. Queste

cellule hanno quindi un compito meccanico, e sono inoltre in grado di secernere sostanze che attireranno

altre cellule.