Academic literature on the topic 'Ingegneria tissutale'

Questa tesi desidera essere un contributo nel campo della modellistica cardiaca, sfruttando un modello elettromeccanico fortemente accoppiato per affrontare due temi di notevole rilevanza e innovativi: le patologie cardiache, in particolare l’ipertrofia, analizzando il comportamento di strutture con geometria a complessità crescente (fibra, campione di parete e ventricolo); l’ingegneria tissutale cardiaca, in particolare le colture in vitro progettate per diventare patch impiantabili. La dissertazione è organizzata come segue. Il Capitolo 1 riassume i principali tratti anatomici e fisiologici del tessuto cardiaco dei mammiferi, aggiungendo l’esempio di patologia considerata in questa tesi, cioè l’ipertrofia, ed una breve discussione sulle colture cardiache. Il Capitolo 2 descrive in dettaglio il modello elettromeccanico e l’algoritmo più generali impiegati per simulare qualunque struttura cardiaca in questa tesi. Il Capitolo 3 riporta i risultati delle simulazioni riguardanti la risposta elettromeccanica di una fibra cardiaca caratterizzata da crescita ipertrofica di tessuto in modo eccentrico mentre è soggetta a diversi protocolli di eccitazione-contrazione; un’analisi sui feedback meccanici è inclusa. Il Capitolo 4 tratta la risposta elettromeccanica di un campione di parete cardiaca che si contrae liberamente in condizioni di ipertrofia concentrica, di cui sono analizzati i fenomeni di crescita tissutale e dispersione delle fibre. Il Capitolo 5 studia la risposta elettromeccanica di un ventricolo colpito da stenosi aortica e ipertrofia concentrica (caratterizzata da sola crescita tissutale) durante un intero ciclo cardiaco; come nel Capitolo 3, si indaga anche sul ruolo dei feedback meccanici. Il Capitolo 6 analizza gli effetti elettromeccanici dettati dalla scelta di una specifica struttura intrinseca ed uno specifico spessore per una coltura cardiaca che si sviluppa in un patch a fini di trapianto. Il Capitolo 7 trae le conclusioni generali di questo lavoro.
This thesis would like to contribute to the field of cardiac modeling by exploiting a strongly-coupled electromechanical model to face two challenging and innovative topics: cardiac pathologies, in particular hypertrophy, by analyzing the behavior of structures with an increasing geometric complexity (fiber, wedge and ventricle); cardiac tissue engineering, in particular the in vitro cultures designed to become implantable patches. The dissertation is organized as follows. Chapter 1 resumes the main anatomical and physiological features of the mammalian cardiac tissue, adding the example of pathology considered in this thesis, i.e. hypertrophy, and a brief discussion on cardiac cultures. Chapter 2 describes in detail the most general form of the electromechanical model and of the algorithm employed for simulating any cardiac structure in this thesis. Chapter 3 reports the simulation results about the electromechanical response of a cardiac fiber characterized by eccentric hypertrophic growth while it is subjected to different excitation-contraction protocols; an analysis on the mechanical feedbacks is included. Chapter 4 deals with the electromechanical response of a cardiac wedge contracting freely under concentric hypertrophic conditions, whose phenomena of tissue growth and fiber dispersion are analyzed. Chapter 5 studies the electromechanical response of a ventricle affected from aortic stenosis and concentric hypertrophy (characterized by tissue growth only) during an entire cardiac cycle; as in Chapter 3, the role of the mechanical feedbacks is investigated too. Chapter 6 analyzes the electromechanical effects dictated by the choice of a specific intrinsic structure and thickness for a cardiac culture developing into a patch for transplantation. Chapter 7 draws the overall conclusions of this work.

Le cellule staminali sono molto rare e per questo il loro impiego in campo clinico è problematico. L’utilizzo del cordone ombelicale, che risolverebbe il problema del donatore, ha purtroppo un’applicazione limitata a causa proprio del numero insufficiente di cellule staminali. Per questo motivo è di fondamentale importanza lo sviluppo di un sistema per l’espansione delle cellule staminali. Nello stesso tempo, per l’applicazione delle cellule staminali in ingegneria tissutale (ad esempio per la riparazione del tessuto osseo) risulta indispensabile l’individuazione di uno scaffold idoneo a tale scopo. Per questo motivo, da un lato è stato studiato un sistema per l’espansione delle cellule staminali emopoietiche di cordone ombelicale, dall’altro è stato fatto uno screening di scaffold diversi per l’applicazione in ingegneria del tessuto osseo. In un nostro precedente studio è stato dimostrato che l’interleuchina (IL)-16 è capace di indurre le cellule CD34+ a proliferare e differenziare in cellule dendritiche mature. In questo lavoro, è stato investigato il ruolo dell’IL-16 nell’espansione delle cellule CD34+ isolate da sangue di cordone ombelicale. E’ stato osservato che l’IL-16 aggiunta al cocktail di base costituito da stem cell factor (SCF), Flt-3 ligand (FL), thrombopoietin (TPO), IL-6 e IL-3, aumenta significativamente il numero delle cellule CD34+, della popolazione più primitiva CD34+CD38-, dei progenitori emopoietici e delle LTC-IC (long-term-culture-initiating-cells), non alterando la capacità delle cellule CD34+ di differenziare in linfociti-B e cellule natural killer (NK). L’aggiunta dell’IL-16 aumenta l’attività migratoria delle cellule CD34+ espanse e diminuisce la percentuale delle cellule CD34+CD4+. Questi risultati sembrano suggerire che l’IL-16 possa avere un ruolo importante nell’espansione delle cellule staminali emopoietiche e possa essere utilizzata in clinica per l’espansione delle cellule CD34+ (Articolo I). Scaffold diversi di policaprolattone (PCL) sono stati analizzati al fine di individuare un nuovo biomateriale in grado di promuovere il differenziamento delle cellule staminali mesenchimali di coniglio in osteoblasti. I risultati ottenuti dimostrano che lo scaffold PCL/TZ-HA, ottenuto mescolando PCL e proteina termoplastica zeina, sembra favorire l’adesione ed il differenziamento osteogenico, dimostrando un ottimo potenziale applicativo nell’ingegneria del tessuto osseo (Articolo II). Recentemente è stato sviluppato un nuovo modello dello sviluppo tumorale basato sulle cellule staminali tumorali. Con l’introduzione di tale ipotesi si è fatta avanti la necessità di individuare nuovi marcatori molecolari e sviluppare nuove terapie. Studi precedenti hanno dimostrato che l'aumento d’espressione dei recettori Eph e dei loro ligandi ephrin è in vari casi collegato con fenomeni di progressione tumorale ed angiogenesi. In questo lavoro, è stata valutata l'espressione dei ligandi ephrin-B1-B2 e dei recettori EphB1-B4 in linee cellulari di rabdomiosarcomi e tumori primari. I risultati ottenuti evidenziano deregolazione sia dei ligandi sia dei recettori nelle linee cellulari, mentre un generale aumento dell'espressione delle proteine analizzate è stato registrato nei tumori primari. E’ stata inoltre dimostrata anche una correlazione tra l'espressione di EphB2 ed EphB4 in entrambi i tipi tumorali. La generale deregolazione dell'espressione genica e le correlazioni registrate tra ligandi e recettori e tra EphB2 e EphB4 suggeriscono un ruolo di ephrin-B e EphB nello sviluppo dei RMS (Articolo III).
Stem cells are very rare and this represents a big problem for clinical application. The use of umbilical cord blood, that could be a good alternative source of stem cells, is limited because of the poor number of stem cell that is not sufficient for transplantation. Accordingly, it will be very important to develop an assay to expand ex-vivo stem cell population. At the same time, for stem cell application in tissue engineering (for example bone tissue engineering) it could be very important to prepare a scaffold. This is why we studied an assay for ex-vivo expansion of hematopoietic stem cells isolated from cord blood and we did a screening of biomaterials for bone tissue engineering. A previous work reported that interleukin (IL)-16 can induce CD34+ hematopoietic cells to proliferate and differentiate in-vitro into phenotypically and functionally mature DCs. In this study, the effects of IL-16 on the expansion of CD34+ cells from human cord blood were investigated. IL-16 added to a basal cocktail (BC) composed of stem cell factor (SCF), Flt-3 ligand (FL), thrombopoietin (TPO), IL-6 e IL-3,of cytokines significantly enhanced the expansion of CD34+ cells, CD34+CD38-, early stem cells progenitor cells and long-term-culture-initiating-cells (LTC-IC). Moreover, CD34+ cells expanded with IL-16 maintained the capacity to differentiate into the lymphoid-B and -NK lineage. The addition of IL-16 to BC increased the migratory capacity of expanded CD34+ cells compared to BC alone and decreased the percentage of CD34+CD4+ cells. Overall, this study suggests that IL-16 may have a new role in promoting the expansion of hematopoietic stem cells and may represent a new tool for the expansion of CD34+ cells for clinical applications (Paper I). Scaffolds of different composition have been analysed to develop a novel multiphase biomaterial able to promote osteogenic differentiation of rabbit mesenchymal stem cells (rMSC). Results demonstrated that the multi-phase PCL/TZ-HA system showed improved rMSCs adhesion and osteoblast differentiation, thus demonstrating great potential for bone regeneration. (Paper II). Recent advances in tumour progression introduce the concept of cancer stem cells. According to this hypothesis, it will be important to identify new tumour markers and to develop new therapeutic strategies. Previous works demonstrated that increased expression of Eph receptors and their ephrin ligands have been implicated in promoting angiogenesis and tumour progression in several malignancies. Here the expression of mRNA for ephrin-B and EphB receptors in rhabdomyosarcoma (RMS) cell lines and primary tumours were measured. A dysregulation of both ligands and receptors was found in all cell lines. A global up-regulation of ephrin-Bs and EphB receptors in RMS tumours was found. In embryonal tumours, a correlation between ligand and receptor was found. A correlation between EphB2 and EphB4 receptors was demonstrated in both tumour types. The dysregulation of ephrin-B and Eph-B in RMS and the correlations between ligand and receptors and between EphB2 and EphB4 suggest a possible role for ephrin-B and EphB in RMS development (Paper III).

Ogni giorno nel mondo vengono eseguite migliaia di procedure chirurgiche per sostituire o riparare tessuti che sono stati danneggiati da malattie o traumi. L'ingegneria tissutale rappresenta una strategia alternativa che mira a rigenerare i tessuti danneggiati combinando cellule e biomateriali altamente porosi che fungano da impalcature (scaffolds). In questa tesi compilativa si presenta un approccio recentemente proposto per la rigenerazione del tessuto osseo. Saranno inizialmente descritte caratteristiche e proprietà dell'osso a livello macro e microscopico e il processo riparativo fisiologico. Si illustreranno quindi i principi dell'ingegneria tissutale, evidenziando i biomateriali utilizzabili, le cellule indicate per la rigenerazione e i rapporti funzionali tra di esse e lo scaffold che deve sostenerne la crescita. Successivamente si descriverà il concetto di ‘biomimetica’ dello scaffold e i metodi impiegati per migliorarne la funzionalità, imitando sia l'aspetto meccanico sia quello biologico della reale matrice ossea; verrà trattato infine un caso di scaffold biomimetico realizzato con nanocompositi, che appare un promettente sostitutivo dell'osso.

I poliuretani sono da anni dei validi candidati per la Tissue Engineerig. Il presente elaborato analizza la struttura, composizione e modalità di realizzazione di poliuretani per poi focalizzarsi su composti espansi. Si è fatta una particolare attenzione sugli utilizzi degli scaffold poliuretanici per le varie tipologie di tessuti e conseguentemente dei requisiti che devono necessariamente possedere. Inoltre, si è fatta un'analisi sulle principali tecniche di caratterizzazione di tali supporti, quindi uno studio sull'invecchiamento in vitro, calcificazione in vitro, citocompatibilità in vitro e, infine, biocompatibilità in vivo prendendo come riferimento i testi presenti nella letteratura.

Lo scheletro è un tessuto dinamico, capace di adattarsi alle richieste funzionali grazie a fenomeni di rimodellamento ed alla peculiare proprietà rigenerativa. Tali processi avvengono attraverso l’azione coordinata di osteoclasti ed osteoblasti. Queste popolazioni cellulari cooperano allo scopo di mantenere l’ equilibrio indispensabile per garantire l’omeostasi dello scheletro. La perdita di tale equilibrio può portare ad una diminuzione della massa ossea e, ad una maggiore suscettibilità alle fratture, come avviene nel caso dell’osteoporosi. E’ noto che, nella fisiopatologia dell’osso, un ruolo cruciale è svolto da fattori endocrini e paracrini. Dati recenti suggeriscono che il rimodellamento osseo potrebbe essere influenzato dal sistema nervoso. L’ipotesi è supportata dalla presenza, nelle vicinanze dell’osso, di fibre nervose sensoriali responsabili del rilascio di alcuni neuro peptidi, tra i quali ricordiamo la sostanza P. Inoltre in modelli animali è stato dimostrato il diretto coinvolgimento del sistema nervoso nel mantenimento dell’omeostasi ossea, infatti ratti sottoposti a denervazione hanno mostrato una perdita dell’equilibrio esistente tra osteoblasti ed osteoclasti. Per tali ragioni negli ultimi anni si è andata intensificando la ricerca in questo campo cercando di comprendere il ruolo dei neuropeptidi nel processo di differenziamento dei precursori mesenchimali in senso osteogenico. Le cellule stromali mesenchimali adulte sono indifferenziate multipotenti che risiedono in maniera predominante nel midollo osseo, ma che possono anche essere isolate da tessuto adiposo, cordone ombelicale e polpa dentale. In questi distretti le MSC sono in uno stato non proliferativo fino a quando non sono richieste per processi locali di riparo e rigenerazione tessutale. MSC, opportunamente stimolate, possono differenziare in diversi tipi di tessuto connettivo quali, tessuto osseo, cartilagineo ed adiposo. L’attività di ricerca è stata finalizzata all’ottimizzazione di un protocollo di espansione ex vivo ed alla valutazione dell’influenza della sostanza P, neuropeptide presente a livello delle terminazioni sensoriali nelle vicinanze dell’osso, nel processo di commissionamento osteogenico.
Bone is a dynamic tissue, with the ability to adapt to its functional demands and repair itself by bone remodelling. The major effector cells of bone remodelling are osteoclast and osteoblast, they cooperate in order to maintain the balance between bone formation and bone resorption, essential for bone homeostasis. Disruption of this balance can diminish bone mass and micro-architectural integrity of the bone resulting in an increase in bone fragility and susceptibility to fractures, as evident in osteoporosis. It is known that, in the pathophysiology of the bone, a crucial role is played by endocrine and paracrine factors. Recent data suggest that bone remodeling may be influenced by the nervous system. The hypothesis is supported by the presence, in proximity of the bone, of sensory nerve fibers responsible for the release of some neuro peptides, like substance P. Iin capsaicin-treated animal has been shown the direct involvement of the nervous system in the maintenance of bone, this animal showed bone loss and increased bone fragility. For these reasons in recent years has intensified research in this field trying to understand the role of neuropeptides in the process of differentiation of mesenchymal precursors into osteogenic lineage. The mesenchymal stromal cells are undifferentiated multipotent cells present in the bone marrow, adipose tissue, umbilical cord and dental pulp. In these districts, MSC are in a quiescent state until they are required to local repair or tissue regeneration. MSC, suitably stimulated, can differentiate into different types of connective tissue such as, bone, cartilage and adipose. The research was designed to optimize a protocol for ex vivo expansion and to evaluate the effect of substance P, neuropeptide in the sensory endings in the vicinity of the bone, in the process of picking osteogenic.

Lo scheletro è un tessuto dinamico, capace di adattarsi alle richieste funzionali grazie a fenomeni di rimodellamento ed alla peculiare proprietà rigenerativa. Tali processi avvengono attraverso l’azione coordinata di osteoclasti ed osteoblasti. Queste popolazioni cellulari cooperano allo scopo di mantenere l’ equilibrio indispensabile per garantire l’omeostasi dello scheletro. La perdita di tale equilibrio può portare ad una diminuzione della massa ossea e, ad una maggiore suscettibilità alle fratture, come avviene nel caso dell’osteoporosi. E’ noto che, nella fisiopatologia dell’osso, un ruolo cruciale è svolto da fattori endocrini e paracrini. Dati recenti suggeriscono che il rimodellamento osseo potrebbe essere influenzato dal sistema nervoso. L’ipotesi è supportata dalla presenza, nelle vicinanze dell’osso, di fibre nervose sensoriali responsabili del rilascio di alcuni neuro peptidi, tra i quali ricordiamo la sostanza P. Inoltre in modelli animali è stato dimostrato il diretto coinvolgimento del sistema nervoso nel mantenimento dell’omeostasi ossea, infatti ratti sottoposti a denervazione hanno mostrato una perdita dell’equilibrio esistente tra osteoblasti ed osteoclasti. Per tali ragioni negli ultimi anni si è andata intensificando la ricerca in questo campo cercando di comprendere il ruolo dei neuropeptidi nel processo di differenziamento dei precursori mesenchimali in senso osteogenico. Le cellule stromali mesenchimali adulte sono indifferenziate multipotenti che risiedono in maniera predominante nel midollo osseo, ma che possono anche essere isolate da tessuto adiposo, cordone ombelicale e polpa dentale. In questi distretti le MSC sono in uno stato non proliferativo fino a quando non sono richieste per processi locali di riparo e rigenerazione tessutale. MSC, opportunamente stimolate, possono differenziare in diversi tipi di tessuto connettivo quali, tessuto osseo, cartilagineo ed adiposo. L’attività di ricerca è stata finalizzata all’ottimizzazione di un protocollo di espansione ex vivo ed alla valutazione dell’influenza della sostanza P, neuropeptide presente a livello delle terminazioni sensoriali nelle vicinanze dell’osso, nel processo di commissionamento osteogenico.
Bone is a dynamic tissue, with the ability to adapt to its functional demands and repair itself by bone remodelling. The major effector cells of bone remodelling are osteoclast and osteoblast, they cooperate in order to maintain the balance between bone formation and bone resorption, essential for bone homeostasis. Disruption of this balance can diminish bone mass and micro-architectural integrity of the bone resulting in an increase in bone fragility and susceptibility to fractures, as evident in osteoporosis. It is known that, in the pathophysiology of the bone, a crucial role is played by endocrine and paracrine factors. Recent data suggest that bone remodeling may be influenced by the nervous system. The hypothesis is supported by the presence, in proximity of the bone, of sensory nerve fibers responsible for the release of some neuro peptides, like substance P. Iin capsaicin-treated animal has been shown the direct involvement of the nervous system in the maintenance of bone, this animal showed bone loss and increased bone fragility. For these reasons in recent years has intensified research in this field trying to understand the role of neuropeptides in the process of differentiation of mesenchymal precursors into osteogenic lineage. The mesenchymal stromal cells are undifferentiated multipotent cells present in the bone marrow, adipose tissue, umbilical cord and dental pulp. In these districts, MSC are in a quiescent state until they are required to local repair or tissue regeneration. MSC, suitably stimulated, can differentiate into different types of connective tissue such as, bone, cartilage and adipose. The research was designed to optimize a protocol for ex vivo expansion and to evaluate the effect of substance P, neuropeptide in the sensory endings in the vicinity of the bone, in the process of picking osteogenic.

L’estrazione di uno o più elementi dentari innesca una serie di processi biologici che modificano notevolmente l’alveolo post-estrattivo o la cresta alveolare, determinando una notevole contrazione ossea. L’obiettivo primario dello studio è valutare il potenziale rigenerativo dell’osso eterologo e PRF associato a terapia fotodinamica laser-assistita in siti post estrattivi. L’obiettivo secondario è valutare la sopravvivenza implantare nei pazienti trattati con questa tecnica di preservazione della cresta alveolare. Obiettivo terziario è valutare la guarigione della ferita chirurgica nelle settimane successive all’intervento. Sono stati selezionati 15 pazienti che necessitavano di estrazioni dentarie, sono stati raccolti i dati clinici e radiografici pre operatori; i pazienti sono stati preparati all’intervento chirurgico che è consistito nell’estrazione degli elementi compromessi, esecuzione della terapia fotodinamica laser-assistita, innesto di osso eterologo e PRF, sutura. A distanza di 9 mesi è stato effettuato il rientro chirurgico per il posizionamento di impianti e sono stati raccolti i dati post operatori. I risultati hanno mostrato una notevole riduzione della contrazione ossea in seguito a estrazione dentaria con la tecnica utilizzata, che ha permesso il posizionamento degli impianti in tutti i casi con un’ottima guarigione dei tessuti molli. Questa tecnica si è quindi mostrata molto efficace riducendo l’invasività chirurgica per i pazienti.

L’argomento trattato in questo elaborato riguarda una nuova tecnologia che si sta sviluppando nel settore dell’ingegneria tissutale: il Bioprinting. Nel seguito verrà data una definizione del processo, verranno analizzate le varie fasi di elaborazione, le tecniche ed i materiali utilizzati. Verranno infine riportati studi riguardanti alcune applicazioni della tecnica.

Grazie all’ingegneria tissutale, branca dell’ingegneria che si occupa della ricostruzione in vitro di tessuti, sta diventando sempre più concreta la possibilità di superare i principali limiti della medicina tradizionale, basata essenzialmente sul trapianto e sui trattamenti farmacologici, soluzioni non sempre praticabili e/o efficaci. Tramite lo studio dei biomateriali e delle loro proprietà è possibile realizzare soluzioni ad hoc per l’ingegneria tissutale di diversi tessuti. Nel caso particolare di questo studio, è stato realizzato mediante elettrofilatura uno scaffold a partire da una blend fisica di poli(butilene succinato) (PBS) e cheratina. Il primo è un polimero sintetico biocompatibile e approvato dalla Food and Drug Administration, con buone resistenza meccanica e lavorabilità, ma tempi di degradazione piuttosto lenti, a differenza della cheratina, polimero naturale, che risulta troppo rigido e difficile da processare, ma con buoni tempi di degradazione ed un’ottima biocompatibilità. Il tappetino elettrofilato così ottenuto è stato sottoposto a caratterizzazione molecolare, termica e meccanica. Inoltre, in vista di possibili applicazioni nell’ambito dell’ingegneria tissutale, il materiale è stato sottoposto anche a test di biodegradazione in ambiente enzimatico e prove di biocompatibilità in vitro. In conclusione, ogni tipo di indagine, seppur preliminare, ha comprovato che l’unione tra il PBS e la cheratina ha dato vita ad un nuovo biomateriale di supporto facilmente processabile e in grado di promuovere l’accrescimento, la migrazione e il differenziamento cellulare.

L’argomento trattato in questo elaborato riguarda la natura e le applicazioni di una nuova classe di biomateriali: i peptidi auto-assemblanti. La perdita di funzione di un organo o di un tessuto rappresenta una problematica rilevante sia sotto il profilo clinico sia per i costi di gestione. I trapianti sono infatti tra le terapie più sofisticate e onerose economicamente, complicate da altri aspetti quali una strutturale insufficienza di donatori e la necessità che i soggetti trapiantati vengano sottoposti cronicamente a regimi terapeutici immunosoppressivi che aumentano eventuali effetti collaterali. La terapia sostitutiva basata su organi artificiali è invece gravata dalla durata limitata dei dispositivi, nonchè da un non trascurabile rischio infettivo. La medicina rigenerativa, che sembra essere una soluzione adeguata per ovviare a tutte queste problematiche, è un settore emergente che combina aspetti della medicina, della biologia cellulare e molecolare, della scienza dei materiali e dell’ingegneria al fine di rigenerare, riparare o sostituire i tessuti danneggiati. In questo panorama, il ruolo dei biomateriali sta diventando sempre più importante grazie alla loro varietà e alle loro funzioni emergenti. Tra i biomateriali innovativi più promettenti troviamo i peptidi auto-assemblanti. Dopo un'introduzione sui principi dell'ingegneria tissutale, la tesi si focalizza sui peptidi auto-assemblanti e sulle loro applicazioni in campo biomedico, ponendo l'attenzione, in particolar modo, sulla realizzazione di scaffold per la rigenerazione del tessuto osseo, cardiaco, cartilagineo e nervoso, e sulla loro applicazione per il rilascio controllato di farmaci.