RICERCA ITALIANA     

PROGETTAZIONE, SINTESI E CARATTERIZZAZIONE DI BIOMATERIALI COMPOSITI PER LA SOSTITUZIONE TRACHEALE

Seconda Università degli Studi di Napoli

Abstract

La ricostruzione protesica della trachea è richiesta nel trattamento di diverse patologie congenite, infiammatorie e neoplastiche.
L'utilizzo di materiali autologhi (flaps di muscoli, innesti di cartilagine costale, pericardio o cute) o artificiali (protesi in silicone, dacron o altro) è gravato da un'elevata incidenza di complicanze quali stenosi, perforazioni, dislocamenti e soprattutto infezioni.
Attualmente siamo ancora lontani dalla realizzazione di un costrutto che una volta impiantato sia in grado di realizzare una perfetta chiusura del lume tracheale ed allo stesso tempo garantisca la corretta riepitelizzazione dell'impianto.
L'associazione di un materiale con caratteristiche meccaniche adeguate e di uno strato di epitelio ciliato coltivato in vitro potrebbe rappresentare una scelta adeguata per risolvere i problemi di tenuta meccanica dei biomateriali impiantati ed allo stesso tempo permettere la rigenerazione di uno strato superficiale di epitelio ciliato funzionante.
Poiché non esistono attualmente in commercio materiali con tali caratteristiche, lo scopo del nostro progetto di ricerca è quello realizzare materiali compositi che siano in grado di coniugare le caratteristiche meccaniche di un materiale sintetico con le caratteristiche biologiche di una matrice extracellulare (ECM) appropriata all'applicazione in esame. <<<

Coordinatore Scientifico del Programma di Ricerca

Alfonso BARBARISI Seconda Università degli Studi di NAPOLI

Obiettivo del Programma di Ricerca

Obiettivo del programma di ricerca è quello di realizzare un costrutto da utilizzare per l'ingegnerizzazione del tessuto epiteliale tracheale. A tale proposito, si intende sintetizzare un materiale composito a base di collagene proveniente da espianti di trachea liofilizzata e copolimeri del policacrolattone su cui, successivamente, valutare l'adesione, la proliferazione ed il differenziamento di colture primarie di cellule epiteliali prelevate da animali da esperimento (conigli).
Poiché, come è ampiamente noto in letteratura, è l'interazione tra le proteine (tissutali e plasmatiche) e la superficie dei biomateriali che regola i fenomeni cellulari dell'adesione, proliferazione e differenziamento, in primis, sarà caratterizzata e studiata l'interazione tra tali proteine (ad es. collagene) e i biomateriali compositi ottenuti. In seconda istanza saranno studiati anche i pattern biochimici intracellulari che regolano tali fenomeni cellulari (vie di attivazione della FAK e MAP Kinasi).
A tal fine, sarà necessario sintetizzare e caratterizzare opportuni sistemi modello per realizzare un materiale composito che garantisca, contemporaneamente, buone caratteristiche meccaniche ed una soddisfacente interazione con l'ambiente biologico circostante, in particolare per quanto riguarda la capacità del nuovo biomateriale di supportare sia un'adeguata proliferazione che un corretto differenziamento dell'epitelio tracheale.
Sarà, inoltre, effettuato uno studio per la valutazione delle caratteristiche meccaniche e fisiche dei compositi sintetizzati, poiché tali caratteristiche determinano la possibilità o meno di utilizzare tali materiali nella pratica clinica.
Infine, saranno effettuati studi "in vivo" su animali da esperimento, allo scopo di valutare nel tempo, la corretta riepitelizzazione del composito impiantato. <<<

Risultati parziali attesi

Durante il primo anno di attività i risultati attesi riguarderanno:
· ottimizzazione della procedura sintetica dei copolimeri a base di policaprolattone, ampliare il range di composizioni ottenibili e di tentare di abbassare o eliminare le quantità di catalizzatore che sembra essere legato ai gruppi terminali, argomento quest'ultimo di cruciale importanza in vista di applicazioni nel campo dell'ingegneria tissutale. Sarà inoltre posta una specifica attenzione al problema dell'aumento e controllo dei pesi molecolari dei polimeri ottenuti, al fine di poterne controllare le proprietà meccaniche e la processabilità;
· studio dell'interazione di sistemi-modello di policaprolattone con specifiche proteine di interesse dell'applicazione di ingegneria tissutale prevista. In particolare, l'attenzione verrà focalizzata sullo studio dell'interazione collagene-policaprolattone, al fine di ottenere informazioni sulla compatibilità chimico-fisica e chimica fra i due sistemi, nonchè informazioni sulla strutturazione della fase collagene in presenza di superfici di policaprolattone;
· la realizzazione e la caratterizzazione chimico-fisica e meccanica di materiali compositi a base di copolimeri del policaprolattone e collagene da utilizzare come sistema modello per i successivi studi;
· la messa a punto della metodica di estrazione e coltura delle cellule primarie provenienti da trachee espiantate da conigli, come anche della metodica per la liofilizzazione delle trachee espiantate;
· la realizzazione degli esperimenti di adesione, proliferazione e differenziamento delle cellule epiteliali sia sui copolimeri a base di policaprolattone che sui compositi col collagene.Durante il secondo anno di attività i risultati attesi riguarderanno:
· ulteriormente ampliamento del range di applicazione dei copolimeri a base di policaprolattone, mettendo a punto le opportune strategie sintetiche per introdurre una terza unità monomerica (acido lattico) in modo da ottenere terpolimeri P(HB-CL-LA)oppure terpolimeri contenenti anche unità di valerato P(HB-HV-CL) costituiti sempre da unità biodegradabili e biocompatibili. Si effettueranno le necessarie caratterizzazioni strutturali e composizionali, mirando a identificare le effettive sequenze copolimeriche e ponendo una specifica attenzione anche alle proprietà chimico fisiche connesse alla struttura e proprietà di bagnabilità delle superfici ottenute, nonchè alla effettiva terminazione superficiale dei sistemi ottenuti;
· la realizzazione e la caratterizzazione chimico-fisica e meccanica di materiali compositi a base di copolimeri del policaprolattone e matrice extracellulare liofilizzata proveniente da espianti tracheali di animali da esperimento (conigli);
· la realizzazione degli esperimenti di adesione, proliferazione e differenziamento delle cellule epiteliali sui materiali compositi a base di copolimeri del policaprolattone e matrice extracellulare liofilizzata proveniente da espianti tracheali di animali da esperimento (conigli);
· la valutazione "in vivo" della biocompatibilità dei compositi realizzati, utilizzando ceppi di conigli da esperimento. In particolare, saranno valutate sia la risposta infiammatoria sistemica negli animali da esperimento che le caratteristiche istologiche del tessuto epiteliale tracheale neoformato. <<<

Durata

24 mesi

Base di partenza scientifica nazionale o internazionale

La ricostruzione protesica della trachea è richiesta nel trattamento di diverse patologie congenite, infiammatorie e neoplastiche. Ricostruzioni tracheali, con anastomosi diretta, capo a capo, sono possibili soltanto dopo resezione di 3/4 anelli tracheali (6cm); negli altri casi è necessario ricorrere a tecniche ricostruttive protesiche. L'utilizzo di materiali autologhi (flaps di muscoli, innesti di cartilagine costale, pericardio o cute) o artificiali (protesi in silicone, dacron o altro) è gravato da un'elevata incidenza di complicanze quali stenosi, perforazioni, dislocamenti e soprattutto infezioni (1,2,3). Queste considerazioni determinano un crescente interesse nella ricerca mirante ad ottenere un materiale che possegga le caratteristiche peculiari di una protesi ideale: un'adeguata resistenza meccanica ed alle infezioni, una buona accettabilità da parte dell'organismo, una perfetta tenuta aerea e soprattutto la capacità di favorire una riepitelizzazione del lume che garantisca la completa eliminazione delle secrezioni endobronchiali e, come recentemente dimostrato un'adeguata cicatrizzazione senza formazione di stenosi(4-8).Trapianti omologhi di trachea congelata o conservata mediante l'uso di sostanze chimiche sono stati eseguiti con risultati insoddisfacenti soprattutto in conseguenza della perdita delle caratteristiche meccaniche dell'innesto(9,10), anche se ne si riconosce il vantaggio del ridotto potere antigenico(11-14). Attualmente sono in corso ricerche indirizzate verso l'utilizzo di colture cellulari e di ingegneria tissutale, infatti, una soluzione ideale potrebbe essere la fabbricazione ex-novo di un tessuto che sia ben vascolarizzato, facilmente trapiantabile e resistente alla compressione(15-18). Cellule epiteliali provenienti da espianti tracheali sono state coltivate con successo fino ad ottenere sufficiente tessuto da renderne possibile il reimpianto(19).
I lavori pubblicati in letteratura(20-22) fanno, però, riferimento solo alla ricopertura, mediante cellule coltivate, di uno stroma ed una cartilagine vitali, senza finalità realmente ricostruttive.
L'associazione di un materiale con caratteristiche meccaniche adeguate e di uno strato di epitelio ciliato coltivato in vitro potrebbe rappresentare una scelta adeguata per risolvere i problemi di tenuta meccanica dei biomateriali impiantati ed allo stesso tempo permettere la rigenerazione di uno strato superficiale di epitelio ciliato funzionante. <<<