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In-line Tissue Engineering approach

In-line Tissue Engineering approach . Fabrizio Raimondi – Stefano Pagnutti. Biella 5 giugno 2009. La perdita o l’insufficienza funzionale di un tessuto o di un organo rappresentano uno dei problemi più invalidanti, frequenti e costosi nell’ambito della sanità.

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In-line Tissue Engineering approach

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Presentation Transcript


  1. In-line Tissue Engineering approach Fabrizio Raimondi – Stefano Pagnutti Biella 5 giugno 2009

  2. La perdita o l’insufficienza funzionale di un tessuto o di un organo rappresentano uno dei problemi più invalidanti, frequenti e costosi nell’ambito della sanità. Il problema non è esclusivamente limitato alla mancanza di organi in toto - fegato, rene, cuore, pancreas - ma coinvolge anche deficit tissutali localizzati e limitati a parti di non vitale importanza che comunque determinano una scarsa qualità della vita.

  3. Mentre la perdita di un organo viene necessariamente compensata con un trapianto, nel caso di perdite di sostanza il chirurgo deve ingegnarsi su come ricostruire, utilizzando i tessuti residui o con ciò che viene messo a disposizione dalle industrie dei biomateriali, la struttura e la funzione dei tessuti danneggiati.

  4. Biomateriali improvvisati e tentativi di riparazione sono antichi come il desiderio e la necessità dell’uomo di sostituire parti del corpo difettose per migliorare la qualità della vita. PASSATO

  5. Papiro di Edwin Smith (1850) 48 casi clinici: 27 traumi cranici; 6 lesioni della gola e del capo; 2 della clavicola; 3 delle braccia; 8 dello sterno; 1 della spalla; 1 della colonna vertebrale. Alluce in cuoio e legno Sacerdotessa di Tebe (1.000 a.C.) (Museo del Cairo) 2600 a.C. Sacerdote, ufficiale, costruttore e architetto visse alla corte del faraone Djoser (III Dinastia). Quasi universalmente riconosciuto come il “Padre della Medicina” Chiodo di 23 cm in ferro inserito nel ginocchio. Mummia di Usermontu (656-525 a. C.) (Museo di San Josè, CA) 1700 a.C. The Edwin Smith Surgical Papyrus Lungo 4.68 metri e largo 33 cm, fu scritto sulla base di testi più antichi di circa 1000 anni NASCE LA MEDICINA

  6. Mandibola trovata in Honduras nel 1931, presenta tre frammenti di conchiglia in luogo degli incisivi inferiori. Databile intorno al 600 d.C. Protesi dentaria dei Fenici costituita da conchiglie legate con filo d’oro (V-VI sec. a.C.) Canino legato con filo dìoro a due incisivi (Cairo) Incisivo artificiale (tomba etrusca) LE PRIME PROTESI

  7. I santi Cosma e Damiano attorno al 300 avrebbero attaccato la gamba di un moro ad un cristiano. “El milagro de Calanda” Atti notarili e processuali testimoniano lo strano reimpianto di gamba di Miguel Juan Pellicer nel 1640 a Calanda (Bassa Aragona, Spagna) MIRACOLI

  8. Nel 1668 il medico olandese Job Van Meekeren esegue il primo innesto osseo eterologo innestando un frammento di cranio di cane in un difetto craniale di un soldato rimasto ferito. Il soldato venne scomunicato. Per questo chiese di farsi togliere l’innesto, ma non fu possibile perché risultò completamente integrato. (De Boer 1988) IL PRIMO INNESTO ETEROLOGO

  9. Antoni Van LeeuwenhoeK nel 1674 descrive per la prima volta la struttura ossea relativamente a quelli che saranno poi chiamati canali Haversiani. Si cominciano ad evidenziare concetti come “callo osseo”, “impianto” e “riassorbimento”. Nel 1743 Duhamel pubblica i risultati dei suoi esperimenti su animale dove suggerisce il ruolo importante del periostio nella neo-osteogenesi. (De Boer 1988, Glicenstein 2000) LA STRUTTURA DELL’OSSO

  10. Il primo innesto autologo Germania 1820: Philips Von Walter chiude il foro a seguito della trapanazione del cranio, con la bratta precedentemente asportata. Leopold Ollier studia il fenomeno della rigenerazione ossea e pubblica nel 1861 il “traité de la régénération des os” documento in cui compare per la prima volta il termine “greffe osseuse”: innesto osseo Il chirurgo scozzese William Mac Ewen nel 1880 innesta un segmento di tibia da donatore in un difetto omerale di un ragazzo. INNESTO AUTOLOGO E OMOLOGO

  11. “Riparare” “Rigenerare” Riparazione o sostituzione di organi e di tessuti rimossi • Ripristino di strutture • Proprietà biomeccaniche • Funzione • Attività biochimica PRESENTE E FUTURO… PROSSIMO

  12. Cellule autologhe Fattori di crescita Scaffold Ingegneria Tissutale Applicazione clinica TISSUE ENGINEERING L’ingegneria dei tessuti è un “campo multidisciplinare” in cui si fondono biologia cellulare, ingegneria, scienza dei materiali e chirurgia, allo scopo di costruire nuovi tessuti funzionali, mediante la combinazione di:

  13. scaffold host tissue SEMPLICEMENTE “…the science of persuading the body to regenerate or repair tissues that fail to regenerate or heal spontaneously” C. M. Agrawal Solo scaffold Scaffold + fattori di crescita Scaffold + cellule + fattori di crescita Scaffold + cellule Biomaterials Research Group 2004

  14. Nutrienti bloccati, cataboliti intrappolati Coagulo ematico ? Scaffold impiantato Pori riempiti di ECM Adesione di proteine, GFs,… Richiamo e penetrazione cellulare Cellule sintetizzano e depositano matrice extracellulare (ECM) Invasione di vasi sanguigni Cellule al centro MUOIONO Fallimento dello scaffold osso Cellule aderiscono, proliferano e differenziano BASTA IL SOLO SCAFFOLD?

  15. SOLO piccoli difetti < 2-3mm alternativa Scaffold Cellule Fattori di crescita Tissue Engineering Tessuto osseo danneggiato

  16. Tissue Engineering Utilizzare i requisiti e i principi dell’ingegneria tissutale, direttamente in sala operatoria In-line TISSUE ENGINEERING

  17. Necessità di un BIOMATERIALE • Fornisce un’impalcatura tri-dimensionale per lo sviluppo delle linee cellulari e la deposizione di matrice extracellulare • Svolge un’importante funzione di interazione biologica: comunicazione e scambio di segnali con il tessuto circostante • Controllo della struttura e della funzione • del tessuto ingegnerizzato 1. LO SCAFFOLD

  18. BIOMATERIALE IDEALE • biocompatibile • favorire • - adesione • - migrazione • - proliferazione • - differenziamento cellulare • - sintesi di matrice • extracellulare (ECM) • - invasione vascolare • biodegradabile

  19. INTERAZIONE CELLULA-BIOMATERIALE La capacità di una cellula di riconoscere ed interagire con il substrato rappresenta il primo indispensabile passo, senza il quale processi come proliferazione, migrazione e differenziamento cellulare non sarebbero possibili. Nella progettazione di materiali per l’ingegneria dei tessuti, la comprensione dei meccanismi che regolano tale interazione sono di fondamentale importanza.

  20. RICONOSCIMENTO E ADESIONE Uno dei requisiti fondamentali di un biomateriale per l’ingegneria dei tessuti è la capacità di promuovere efficientemente l’adesione delle cellule da cui verrà colonizzato. Tale adesione prevede una fase precoce in cui la cellula riconosce il substrato. L’adesione cellulare ad un biomateriale avviene tramite un meccanismo specifico, mediato da proteine di membrana dette integrine.

  21. Le integrine trasmettono il segnale dalla superficie cellulare alla fitta rete di filamenti citoscheletrici che costituiscono l’impalcatura della cellula. Dall’interazione delle integrine con la matrice si originano cascate di segnali che determinano la riorganizzazione del citoscheletro di actina ed il cambiamento della morfologia cellulare. La cellula, all’inizio tondeggiante (a), assume una forma distesa (b).

  22. QUALE SCAFFOLD SCEGLIERE Sicurezza Aspetti medico-legali Innesto omologo Biocompatibilità Immunogenicità Qualità Innesto eterologo Porosità Degradabilità Innesto di sintesi

  23. Gli innesti eterologhi prodotti da Bioteck con un sistema esclusivo di deantigenazione enzimatica a 37° C sono sicuri, totalmente biocompatibili e con la componente collagenica preservata PURA MATRICE BIOLOGICA

  24. Un sistema di demineralizzazione parziale, consente inoltre di avere innesti dalle caratteristiche di flessibilità e plasticità uniche. La demineralizzazione espone maggiormente la matrice collagene esaltandone così le caratteristiche biologiche. INNESTI FLEX

  25. 2. I FATTORI DI CRESCITA Fattori di crescita (growth factors, GFs): sono polipeptidi che agiscono legandosi generalmente a recettori ad attività tirosina-chinasica, inducendo una gamma complessa di risposte che influenzano il destino della cellula bersaglio. Possono avere unruolo mitogenico(ad es. bFGF sui condrociti)oppuretrofico-differenziativo (ad es. BMP-1 sulle cellule mesenchimali e pre-osteoblasti).

  26. Autologhi Piastrinici • PDGF; TGF-ß1, ß2; IGF I-II; EGF; FGF; VEGF • Omologhi • innesti a base di DBM/BMP • Eterologhi • E.M.D – Emdogain® Gel BIORA • Colloss®; Targobone®Biomet Biologics. • Ricombinanti • rhPDGF Regranex®J&J • rhBMP7 Osigraft® Stryker Biotech • rhBMP2 InductOs®Medtronic COSA OFFRE IL MERCATO

  27. 3. LA COMPONENTE CELLULARE • Staminali(nell’embrione e tessuti adulti) • Differenziate(nei tessuti adulti)

  28. CELLULE STAMINALI Le cellule staminali (stem cells, SC) sono cellule non specializzate a uno stadio precoce di sviluppo. Hanno la caratteristica di riprodursi a lungo senza differenziarsi (auto-rinnovamento) e di dare origine a cellule progenitrici dalle quali derivano linee cellulari differenziate (muscolari, ematiche, nervose, ecc...). Possono dividersi e differenziarsi in un largo numero di tipi cellulari che producono i tessuti e gli organi del corpo. Le prospettive terapeutiche aperte dalle SC risultano straordinarie: un primo campo d’applicazione riguarderà la cura di molte patologie gravi (tumori, malattie ereditarie, malattie neuro-degenerative), un secondo campo d’applicazione riguarderà l’impianto di SC per rigenerare cellule e tessuti evitando così i trapianti di organi e i problemi connessi di scarsità dei donatori e di rischio di rigetto per incompatibilità donatore/ricevente

  29. Le cellule staminali sono cellule non specializzate in grado di dividersi dando origine contemporaneamente • ad una cellula staminale (uguale alla cellula madre) • ad una cellula precursore di una progenie cellulare • che alla fine darà a sua volta origine a cellule terminalmente differenziate (mature). Staminali embrionali Totipotenti Pluripotenti Multipotenti Staminali fetali / adulte Unipotenti Staminali adulte

  30. CELLULE STAMINALI ADULTE • Presenti nei tessuti adulti • Cellule multipotenti che possono essere influenzate dai fattori di crescita (GFs) per differenziare in varie tipologie cellulari mature • Ad es. cellule staminali mesenchimali (MSCs) presenti nello stroma del midollo osseo

  31. Il midollo osseo è attualmente considerato la fonte più abbondante e facilmente disponibile di cellule progenitrici staminali aventi la capacità di auto-rinnovarsi, proliferare, migrare e differenziare in varie tipologie cellulari mature. In aggiunta alle cellule staminaliematopoietiche, il midollo osseo contiene cellule staminali non-emopoietichemesenchimalie endoteliali, che costituiscono tre “compartimenti staminali” altamente integrati tra loro. CELLULE STAMINALI NEL MIDOLLO OSSEO

  32. Caplan AI. Review: mesenchymal stem cells: cell-based reconstructive therapy in orthopedics. Tissue Eng. 2005 Jul-Aug;11(7-8):1198-211. Review MSCs: CONCENTRAZIONE MIDOLLARE FISIOLOGICA In condizioni fisiologiche, il midollo osseo di un uomo adulto contiene mediamente 1 MSC / 250.000 cellule midollari. Questo numero è strettamente correlato all’età:

  33. OK 3-4X MSCs: CONCENTRAZIONE EFFICACE MINIMA E’ stato dimostrato da vari autori che il midollo osseo in toto contiene una quantità di cellule osteoprogenitrici non sufficiente per garantire una rigenerazione ossea efficace. Per avere un adeguato stimolo osteogenico occorre concentrare il midollo 3-4X. • Muschler GF, Matsukura Y, Nitto H, Boehm CA, Valdevit AD, Kambic HE, Davrs WJ, Easley KA, Powell KA. Selective retention of bone marrow-derived cells to enhance spinal fusion. • Clin Orthop Relat Res. 2005 Mar;(432):242-51. • Ph. Hernigou, MD, A. Poignard, MD, F. Beaujean, MD and H. Rouard, MD. Percutaneous Autologous Bone-Marrow Grafting for Nonunions. Influence of the Number and Concentration of Progenitor Cells. The Journal of Bone and Joint Surgery (American). 2005;87:1430-1437.

  34. Il sistema più efficace per concentrare e quindi aumentare il rapporto volume/quantità di MSCs dell’aspirato midollare: CENTRIFUGAZIONE AUMENTARE LA CONCENTRAZIONE DI MSCs

  35. Porta ad una elevata concentrazione di cellule midollari in sospensione, quindi iniettabili SISTEMA DI CONCENTRAZIONE

  36. Studi hanno dimostrato che la maggior concentrazione di cellule si ottiene aspirando 2 ml di midollo per sito di prelievo. Aspiration to obtain osteoblast progenitor cells from human bone marrow: the influence of aspiration volume. (Muschler GF, Boem C, Easley K. 1997 - J. Bone Joint Surg. Am. 79:1699-1709) Prima Dopo IL SISTEMA MARROW STIM

  37. 80% - Recupero della frazione totale di Cellule Nucleate (TNC) • 6,7x - Concentrazione di TNC rispetto a quella fisiologica • 66% - Recupero della frazione totale di Cellule Mononucleate (MNC) • 6,1x - Concentrazione di MNC VALORI DI CONCENTRAZIONE

  38. GRAZIE

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