Strutture biomimetiche e bioartificiali - Prof. Farè

Strutture biomimetiche e bioartificiali

Lezione 1 – 3-10-2016

Sistemi di riparo

Sistemi di riparo: sono quei sistemi che possono essere naturali (ad esempio, se ci tagliamo, l’organismo ripara la ferita da sé) oppure possono essere aiutati utilizzando farmaci o cellule.

Sostituzione

Sostituzione: è tutto ciò che riguarda gli impianti, ad esempio le protesi femorali o il cuore artificiale. Sono, quindi, tutti quei dispositivi che sostituiscono una parte di funzioni che hanno i nostri tessuti o i nostri organi. Non sono come i nostri tessuti o i nostri organi ma svolgono il lavoro che svolgevano gli organi naturali. Questi non hanno, tuttavia, una buona integrazione con i tessuti circostanti.

Rigenerazione

Rigenerazione: ricostruzione di tessuti o di un organo che sia, non solo in grado di sostituire l’organo malato da un punto di vista funzionale, ma anche da un punto di vista strutturale. Quindi l’obiettivo è quello di restituire al paziente un organo o un tessuto che sia il più simile possibile a quello naturale (ad esempio lo stelo della protesi d’anca non ha nulla a che fare con la struttura del femore).

Nell’ambito della rigenerazione c’è la medicina rigenerativa (non è solo l’ingegneria dei tessuti). Per medicina rigenerativa si intende ogni terapia che mira alla rigenerazione di tessuti o organi che sono o patologicamente andati incontro a non funzionamento proprio, oppure a seguito di difetti congeniti. Per medicina rigenerativa si possono intendere terapie geniche, terapia cellulare oppure anche ingegneria dei tessuti.

Ci occuperemo di vedere come si possono usare strutture per portare cellule o farmaci nel sito voluto e scaffold in grado di supportare la crescita delle cellule nel sito voluto per rigenerare il tessuto o l’organo. Questi tre approcci non devono essere visti come scomparti separati perché possono essere uniti in diversi approcci in modo da migliorare l’interazione con il sistema biologico.

Biocompatibilità

Nel tempo la definizione di biocompatibilità si è evoluta. In passato, per biocompatibilità si intendeva la capacità di un materiale (notare che si parlava solo di materiali) di svolgere una funzione senza interagire con i meccanismi di difesa del corpo umano, quindi che non provocasse una grossa risposta infiammatoria. Successivamente nel 2005 è stata svolta una conferenza in cui un gruppo di esperti ha rinnovato queste definizioni poiché ci si è resi conto che l’introduzione della medicina rigenerativa aveva fatto sì che la definizione di biocompatibilità non fosse più adeguata. Si sono date due definizioni di biocompatibilità a seconda della struttura che andava a contatto con il corpo umano:

• Se parliamo di dispositivi (protesi) impiantati a lungo termine, possiamo dire che la biocompatibilità è intesa come un device in grado di svolgere la funzione senza provocare una reazione infiammatoria che non sia fisiologica. Un materiale a contatto con il corpo umano può essere riconosciuto come non self dall’organismo e dare luogo a un fallimento dell’impianto.
• Se pensiamo alla rigenerazione di un tessuto tale definizione non è sufficiente. In questo caso si parla di una struttura (siamo passati da materiale a protesi a struttura) che supporti in modo appropriato l’attività cellulare, cioè l’adesione cellulare, la proliferazione e la crescita fino alla deposizione di matrice extracellulare e quindi alla rigenerazione di un nuovo tessuto senza che ci siano delle interazioni negative di questa struttura con le cellule e con i tessuti circostanti, quindi che non ci sia una risposta infiammatoria non fisiologica ma nemmeno una reazione immunitaria locale o sistemica, dovuta alla presenza delle cellule sulla struttura.

Mentre prima parlavamo solo di materiale, siamo arrivati con la medicina rigenerativa a parlare di struttura, perché quello che si usa nella medicina rigenerativa può essere qualcosa di più complesso rispetto a un solo materiale, ma possiamo avere un materiale + cellule. Quindi si parla di struttura che permetta di interagire meglio con l’ambiente fisiologico nel quale andrà a trovarsi.

Strategie biomimetiche

Si parla di strategie biomimetiche poiché, come già detto, dobbiamo sostituire gli organi o i tessuti sia da un punto di vista funzionale ma anche strutturale. Le strategie biomimetiche permettono di:

• Salvare delle vite;
• Sostituire i tessuti biologici sia dal punto di vista funzionale che strutturale. Questo è importante perché la struttura non è più vista come qualcosa di non self da parte dei tessuti circostanti, ma deve essere vista dai tessuti circostanti come qualcosa di self, cioè che si integri al meglio con i tessuti circostanti, diventando parte dei tessuti circostanti.
• Sostituire tessuti come pelle, muscolo ed osso. In particolare, dal punto di vista della ricerca pelle ed osso sono più avanzati mentre sul muscolo e su altri tessuti c’è ancora molta ricerca da fare.
• Sostituire organi come cuore, fegato e rene. In realtà si parla di sostituzione del tessuto muscolare cardiaco e non del cuore.

Perché è importante l’approccio di strategie biomimetiche? Andiamo a sopperire la mancanza di organi donatori. La domanda di organi o di tessuti (come la pelle) è molto più alta rispetto a quelli che vengono donati. In più, andremo ad evitare tutte le problematiche legate alla compatibilità degli organi trapiantati.

I vantaggi di queste strategie sono:

• Non avere problemi di rigetto;
• Essere una soluzione permanente, poiché rendendo le strutture biomimetiche, questa andranno a reagire in modo positivo con i tessuti circostanti e quindi si integrano con questi fino a farne totalmente parte. Non avremo a quel punto problemi di espianto, di rigetto o perdita di funzionalità. Al contrario, sia gli organi trapiantati che le protesi hanno vita limitata.

Tuttavia, ci sono anche molti svantaggi perché:

• Non è facile costruire strutture biomimetiche, poiché ci sono molti aspetti da considerare per ottenere tali strutture.
• Possiamo cercare di imitare un organo od un tessuto trovando una struttura quanto più biomimetica possibile, tuttavia, ci sono sempre delle difficoltà nel capire ed avere una completa conoscenza di un tessuto o di un organo.
• In più anche la scelta delle cellule da impiegare non è così banale. Possono essere usate cellule proprie del paziente, cellule provenienti da altri pazienti o anche cellule embrionali (problemi etici).

Nel seguente corso andremo ad analizzare i materiali per strategie biomimetiche. Il biomateriale è un materiale che si interfaccia con i sistemi biologici, è utilizzato non solamente per riparare, ricostruire o rigenerare ma anche quello che serve per diagnosticare è considerato un biomateriale. Una definizione più complessa definisce il biomateriale come una sostanza ingegnerizzata in modo da avere delle interazioni adeguate con i sistemi viventi.

Un materiale biomimetico è un materiale che deve sostituire dal punto di vista strutturale e funzionale l’organo o il tessuto. Per quanto riguarda le caratteristiche strutturali si intende che deve avere una struttura analoga a quella naturale, quindi che mimi le proprietà strutturali dell’organo naturale. Dal punto di vista funzionale deve, anche in questo caso, avere delle caratteristiche simili a quelle del tessuto o dell’organo naturale.

Vogliamo un biomimetismo poiché vogliamo:

• Evitare un’infiammazione cronica, cioè evitare che ciò che andiamo ad introdurre venga riconosciuto come non self dall’organismo, quindi che non porti alla formazione della capsula fibrotica che circonda l’impianto non permettendo a questo di svolgere la propria funzione.
• Che ci siano un’integrazione con i tessuti circostanti, fino a diventare una cosa sola con i tessuti naturali.

Tutto questo può essere riassunto con una parola che è il riconoscimento biologico. Per riconoscimento biologico si intende andare a capire, rispetto a quello che sappiamo, come fare a trovare una struttura che venga riconosciuta in modo positivo (come self) dal sistema biologico.

Per biomimetismo si intende tutto quello che studia come imitare quello che c’è in natura. Non si parla di copiare, quanto piuttosto di imitare. Cercheremo di vedere quali sono i metodi per progettare e produrre delle strutture che permettano l’adesione e la crescita cellulare e nello stesso tempo come modificare la superficie di questi materiali in modo tale da migliorare ancora di più l’interazione con il sistema biologico.

Vedremo prima di tutto quali materiali potremo sfruttare per realizzare queste strutture. Tra questi vedremo:

• Polimeri biodegradabili sintetici e naturali;
• Hydrogels;
• Smart hydrogels;
• Materiali biomimetici.

Successivamente vedremo come possiamo realizzare degli scaffold con questi materiali, cioè come questi materiali possono essere trasformati o utilizzati per fare delle strutture che ci servono in medicina rigenerativa. Vedremo tecniche più tradizionali e tecniche più innovative.

Vedremo alcuni esempi di analisi che possono essere utilizzate per studiare la morfologia (ad esempio la porosità). Gli scaffold sono delle strutture molto porose. La porosità è un elemento essenziale per queste strutture poiché permette alle cellule di penetrare all’interno della struttura, permettendo, quindi un’integrazione con i tessuti circostanti. È interessante monitorare come le caratteristiche di questi materiali cambiano col tempo.

Vedremo una problematica importante negli scaffold che è la vascolarizzazione di queste strutture, andremo quindi a vedere come sfruttando determinate tecnologie possiamo ottenere degli scaffold che promuovano l’angiogenesi. Questo è importante poiché potremmo avere un supporto che imiti strutturalmente il tessuto ma una volta inserito nel tessuto malato, questa struttura non si integra completamente poiché non riesce ad essere colonizzata da nuovi vasi e quindi, mancando di nutrienti, finisce per morire.

Si parla di scaffold bioattivi poiché vogliamo che la nostra struttura imiti il tessuto o l’organo da sostituire anche da un punto di vista funzionale. Questi vengono modificati sulla loro superficie per migliorare la struttura superficiale permettendo di essere riconosciuto come self dall’organismo. In passato, gli approcci erano quelli di prendere delle strutture porose e far sì che queste assorbissero dei fattori di crescita, che promuovono il differenziamento cellulare. Ad oggi, questo approccio è un po’ lasciato da parte poiché si è visto che l’uso dei fattori di crescita può portare a dei grossi problemi legati all’insorgenza di tumori.

Ci sono anche altri approcci nella medicina rigenerativa. Abbiamo sistemi iniettabili, che possono essere utilizzati per portare nel sito voluto dei farmaci o delle cellule. Questo è importante poiché quando facciamo un’iniezione di un farmaco in un altro distretto corporeo, questo subisce una perdita prima di arrivare al sito voluto. Un altro approccio è quello della tecnica cell sheet, cioè i cosiddetti foglietti cellulari.

Strutture biomimetiche e bioartificiali – 07/10/2016 (lezione 2)

Polimeri biodegradabili di sintesi

Ci focalizziamo sui materiali che servono per la medicina rigenerativa. Abbiamo bisogno di vedere come i biomateriali, che utilizziamo e scegliamo per fare le strutture di supporto o di carico di cellule, si comportano nei confronti del corpo umano una volta all’interno dell’organismo. Abbiamo bisogno di un materiale che funzioni da supporto temporaneo alla crescita delle cellule. Le cellule devono aderire o stare a contatto con questo materiale fino a che producono matrice extracellulare. Questo supporto deve quindi funzionare come la matrice extracellulare che c’è all’interno del corpo umano.

Cosa succede quando un biomateriale viene inserito all’interno del corpo umano? Entra nel corpo e viene messo in un determinato sito di impianto. La prima cosa che succede al materiale è l’assorbimento delle proteine presenti nell’ambiente fisiologico in cui il materiale è posto, dopodiché si scatena la risposta infiammatoria. Ci sono vari step, il primo è l’arrivo dei neutrofili e dei macrofagi che iniziano a investigare il materiale per capire se è qualcosa di buono o qualcosa che non vogliono. Prima arrivano i neutrofili, poi i macrofagi; questi servono per smaltire ciò che non è self, si aggregano in cellule giganti (cellule con più nuclei) e iniziano a rilasciare delle citochine nell’ambiente circostante. Questo è quel che succede nella risposta infiammatoria. Il materiale assorbe delle proteine, poi arrivano i neutrofili e i macrofagi che sentono se il materiale è buono o no, rilasciano delle citochine, queste vengono lette dall’ambiente circostante e si ha una certa reazione a seconda che il materiale venga riconosciuto dalle cellule come qualcosa di simile all’ambiente fisiologico (self) o come qualcosa di estraneo (non self).

Se il materiale viene riconosciuto come non self si forma una capsula fibrotica, che può essere di maggiori o minori dimensioni a seconda della tipologia di risposta infiammatoria, che isola il materiale dall’ambiente circostante. Se invece il materiale viene riconosciuto come self allora viene integrato nei tessuti circostanti. Noi vogliamo rigenerare tessuti nel caso di situazioni patologiche, quindi non vogliamo che il materiale venga isolato, altrimenti non verrebbe integrato con i tessuti circostanti; vogliamo allora che il nostro materiale venga riconosciuto come self. Non è facile che questo avvenga, ovvero non tutti i materiali (i materiali polimerici sono quelli che più si usano in medicina rigenerativa) vengono riconosciuti come self, quindi bisogna aiutare questi materiali per farli riconoscere come self dall’organismo. Dobbiamo progettare il materiale per far sì che venga riconosciuto come self dall’ambiente in cui viene messo e dobbiamo capire anche come le nostre cellule vedono questo materiale. Dobbiamo quindi capire come si comportano le proteine quando arriva questo materiale.

C’è stata una certa evoluzione dei biomateriali negli ultimi decenni e noi ci occupiamo di biomateriali per la medicina rigenerativa; per essere riconosciuti come self i nostri materiali devono essere biofunzionali, cioè devono essere visti come qualcosa di non estraneo all’organismo. Dobbiamo capire quali materiali usare ed eventualmente modificarli superficialmente in modo da implementare l’interazione con i tessuti circostanti. I polimeri biodegradabili possono essere sia di origine sintetica che naturale, consideriamo innanzitutto quelli di origine sintetica.

Omopolimero: composto da un unico monomero con struttura lineare o ramificata o reticolata. Copolimero: composto da due o più monomeri, i monomeri possono essere disposti in diversi modi dando luogo a polimeri con caratteristiche diverse. Un copolimero può avere una struttura alternata, random, a blocchi o graft (a innesto). Le caratteristiche strutturali si riflettono su un comportamento meccanico diverso ma anche, se pensiamo ad esempio a un copolimero biodegradabile a blocchi, su una cinetica di degradazione diversa. Copolimeri: due monomeri diversi tenuti insieme sulla stessa catena macromolecolare da legami covalenti. Blend: miscela di polimeri. Anche a livello macroscopico possiamo distinguere i componenti della miscela, ho un polimero A e un polimero B che sono mescolati insieme. I due componenti sono separabili e si possono vedere a livello macroscopico. Reti polimeriche: possono essere interpenetrate e semi-interpenetrate. Le seconde sono una sorta di miscela in cui le due catene macromolecolari dei due polimeri sono un po’ incastrate l’una con l’altra, ma volendo posso separare i componenti della rete perché non ci sono legami forti che li tengono insieme. Se invece i due polimeri della rete sono tenuti insieme da legami forti, e quindi devo rompere dei legami per rompere la rete, si ha la rete interpenetrata.

I polimeri biodegradabili hanno una cinetica di degradazione su cui possiamo giocare andando a variare alcune cose. Possiamo ad esempio scegliere un materiale diverso e ottenere quindi cinetiche di degradazione diverse, possiamo fare modifiche superficiali o rivestimenti superficiali per cambiare la cinetica di degradazione. Ci possono essere poi altri fattori che influenzano la degradazione dei materiali, ad esempio la geometria: a seconda della dimensione e della forma del supporto si ha una degradazione diversa. Anche la porosità è un fattore che influenza la velocità: un materiale più poroso si degrada più velocemente a parità di struttura, perché la superficie esposta all’ambiente circostante e ai fluidi biologici è maggiore, infatti, essendoci i pori, i fluidi entrano di più all’interno del materiale. Avere un materiale compatto piuttosto che poroso permette al materiale poroso di degradarsi più velocemente. Un altro fattore è l’ambiente, infatti all’interno del corpo ci sono distretti corporei con pH molto diversi che influenzano la cinetica di degradazione. Inoltre a volte si fanno errori facendo sperimentazioni in vitro di degradazione di alcuni materiali perché siamo in tempi di degradazione molto diversi rispetto a quelli reali. Un materiale, quando è immesso all’interno del corpo umano, è subito attaccato dai neutrofili e dai macrofagi, che rilasciano sostanze aggressive che degradano il materiale; tuttavia un esperimento in vitro non permette di imitare completamente ciò che accade all’interno del corpo umano. In vitro infatti non riesco a riprodurre tutto quel che avviene.