SOS OSS I SOSTITUTI OSSEI NEL 21° SECOLO

Vin

ci “Là dove la natura finisce di produrre le sue specie

o d

a V finisce di produrre le sue specie,

l ’uomo comincia, utilizzandole specie della natura

nard

o le specie della naturae in armonia con la natura stessa, a creare una infinità di specie”

Leon

a creare una infinità di specie

La perdita o l’insufficienza funzionale di

sei

pun tessuto o di un organo rappresentano uno dei problemi più invalidanti, frequenti

t i ll’ bit d ll ità

uti o

ss e costosi nell’ambito della sanità.Il problema non è esclusivamente limitato alla mancanza da organi “in toto” come

Sost

itu alla mancanza da organi in toto come fegato, rene, cuore, pancreas ma coinvolge anche deficit tessutali S glocalizzati e limitati a parti di non vitale importanza che comunque determinano

lità d ll ituna scarsa qualità della vita.

Mentre la perdita di un organo viene necessariamente compensata se

i

necessariamente compensata con un trapianto, nel caso di perdite di sostanza il chirurgo deve ingegnarsi ut

i oss

g g gsu come ricostruire la funzione di tessuti ed organi danneggiati utilizzando i tessuti

id i iò h di i i Sost

itu

residui o con ciò che a disposizione dalle industrie dei biomateriali.

S

riale

mat

er “Tutti i materiali o loro combinazioni sia sintetici, naturali che ibridi impiegati

i bio

m p gper il trattamento, miglioramento o sostituzione di tessuti, organi o

one

d

gfunzioni del corpo umano”

finizi

o

Ma al di là della definizione, biomateriali sono tutti quei materiali che sono stati

De sono tutti quei materiali che sono stati

specificatamente progettati e utilizzati in applicazioni biomediche.

tessuto autologote

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a tessuto omologoom

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ria base cellulare

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tessuto eterologo

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materiali di sintesiC

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Di origine umanaDi origine umana

E’ il tessuto prelevato dal paziente stesso.L t ili è it i i

olog

o La cresta iliaca è sito primario per il prelievo autologo per la qualità e

la quantità di tessuto disponibile

o au

to la quantità di tessuto disponibile.

essu

toTe

E’ il tessuto prelevato da donatore ed t t t

olog

o opportunamente processato per renderlo idoneo all’utilizzo chirurgico.

o om

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suto

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RPPR

Le piastrine autologhe concentrate sono una fonte concentrate sono una fonte di GFs in una concentrazione

di fibrinogeno.di fibrinogeno.Accelerano la riparazione

tessutale.

Cellule autologhe espanse su un biomaterialeper riparazione di lesioni cartilaginee e della cute

are

per riparazione di lesioni cartilaginee e della cute

cellu

laba

se c

A b

nali Tipo Descrizione

Embrionali Cellule prelevate dalla blastocisti

stam

i Embrionali Cellule prelevate dalla blastocisti

Fetali Cellule prelevate dalle gonadi di feti abortiti

ellu

le s

Ombelicali Cellule prelevate dal sangue omblelicale dei neonati

Placentari Cellule prelevate dalla placente di neonati

Ce Placentari Cellule prelevate dalla placente di neonati

Adulte Cellule prelevate da tessuti adulti

Medical DeviceMedical Device(Presidi Medico-chirurgici)

E’ il tessuto proveniente da mammiferi opportunamente trattato per renderlo sterile

tili bil

ogo e utilizzabile

(solitamente bovino, suino o equino)o di sintesi

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olo o di sintesi

suto

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Sostituti ossei che contengono ceramiche (solfato di calcio, (biovetri, fosfato di calcio, ecc…).L’uso delle ceramiche,

tt tt d i f f ti di l i

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i soprattutto dei fosfati di calcio, è motivato dal fatto che la componente inorganica

Di s

in che la componente inorganica principale dell’osso è idrossiapatite.I fosfati di calcio sono sono inoltre osteoconduttivi, osteointegrativi e i l h t i d tti iin qualche caso osteoinduttivi(osteopromotion).

L’interdipendenzaL’interdipendenzatra scienza di base e applicazione clinica

è fondamentaleè fondamentaleper lo sviluppo di tecniche innovative

e strategie di trattamento e strategie di trattamento

L’ingegneria tessutaleL ingegneria tessutale

L’ingegneria tessutale utilizza i principi dell’ingegneriautilizza i principi dell ingegneria

e delle scienze biomediche per elaborare prodotti artificiali o biologiciper elaborare prodotti artificiali o biologici

in grado di ripristinare, o comunque mantenereo comunque mantenere,

la funzione di tessuti ed organi danneggiatidanneggiati

tramite un processocoinvolgente cellule segnali molecolaricoinvolgente cellule, segnali molecolari

e matrice extracellulare (ECM).

La matrice extracellulare:La matrice extracellulare:• è fondamentale per il funzionamentodella cellulaar

e

della cellula• dà supporto meccanico• fornisce un substrato per la migrazionece

llula

• fornisce un substrato per la migrazione• fissa le molecole differenzianti• si modifica costantementeex

trac

• si modifica costantemente• fornisce istruzioni per i processi

di distruzione cellularerice

e

di distruzione cellulare• l’ingegneria tessutale fornisce la ECM

mat

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scaffoldar

e

celluleTessuto innestato

cellu

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fattori di crescita

mat

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FORZE BIOMECCANICHE

+

La

Lo scaffold deve:• essere biocompatibile

f i • favorire - adesione,- migrazione- migrazione- proliferazione- differenziamento cellulare - sintesi di matrice extracellulare (ECM)

Il materiale ideale per uno scaffoldper uno scaffold

dovrebbe interagire selettivamentecon i GFs liberati

dalle cellule dei tessuticircostanti la lesione

cellula

ECMaffo

ld

INTETRAZIONI cellula/ECM

cellula/biomaterialecellula/cellula

meccanismidi guarigioneLo

sca

cellula/cellula

migrazioneproliferazione

differenziazionedifferenziazione

Lo scaffold può aiutarela differenziazione cellulare

interazione cellula-cellulaPROCESSO TEMPO

interazione cellula-cellula

Attacco secondi

stimoli meccanicistimoli elettrici

interazioni cellula-substrato

Proliferazione & differenziazione

Deposizione tessutoDeposizione tessuto

Maturazione tessuto settimaneMaturazione tessuto settimane

MATERIALE CELLULE

L’interazione di questi materialiL interazione di questi materialicon il sangue è particolarmenteimportante per l’adsorbimentodi proteine. Componenti del sangueche vengono adsorbiti da questi

Deposito cellule Substrato t idi i l

Substrato i G th F t che vengono adsorbiti da questi

materiali includono fibrinogeno efibronectina.

tridimennsionale per i Growth Factor

Substrato per le cellule Apporto vascolare fibronectina.Queste proteine si attaccanoalle piastrine innescando la rispostatrombogenica (coagulazione).

essu

tiCome in ogni altro campo, nell’ultimo ventennio la tecnologia

e d

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nell ultimo ventennio la tecnologia è prepotentemente entrata nella medicina.Progressi nella biologia cellulare,

olog

ia

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ne sviluppi della biologiae scienza dei materiali h i i t i

Cro

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rizza hanno permesso ai ricercatori

di identificare le molecoleche controllano differenziazione cellulare C

inge

gn che controllano differenziazione cellulare, sviluppo e ambiente.Risalgono agli inizi del 20° secolo

nella

i i primi studi sui meccanismi di guarigione o rigenerazione dell’apparato muscolo scheletrico.

1908 Il medico tedesco Erich Lexer riferisce l’impiego di innesti strutturali osteoarticolari l impiego di innesti strutturali osteoarticolari omologhi per la ricostruzionenella chirurgia tumorale (articolazioni)g ( )

1924 Il ricercatore tedesco Hans Spemann, lavorando con uova di anfibio scopre lavorando con uova di anfibio, scopre quello che viene chiamato “effettoorganizzativo” dello sviluppo embrionale.organizzativo dello sviluppo embrionale.Spemann e Hilde Mangold scoprono che il centro organizzativo “produce” le diverse parti dell’embrione.La loro teoria è stata alla base dell’induzione embriogenica effettuata da “organizzatori” embriogenica effettuata da organizzatori , che ha portato allo sviluppo della morfogenesi sperimentale. morfogenesi sperimentale. (Spemann ha ricevuto il premio nobel nel 1935).

Anni ’60 il ricercatore russo Alexander Friedenstein ha iniziato a identificare una popolazione di cellule iniziato a identificare una popolazione di cellule nel midollo osseo con capacità di formare tessuto osseo, cartilagine e grasso. Fino ad allora tessuto osseo, cartilagine e grasso. Fino ad allora si studiava solamente la possibilità di queste cellule stromali di riparare i tessuti danneggiati

1965 Marshal Urist pubblica un lavoro fondamentale sulla formazione ossea indotta fondamentale sulla formazione ossea indotta da un estratto di matrice ossea decalcificata. Urist ha chiamato quello che lui pensavaUrist ha chiamato quello che lui pensavaessere l’agente attivo “bone morphogenetic protein” – BMP.Si è visto poi che in realtà le BMP sono parte di una superfamiglia chiamata “transforming growth factor” TGF Dei TGF le bmp sono le più growth factor - TGF. Dei TGF le bmp sono le più “potenti” in termini di stimolo osteoblastico.

Anni 70 William Green jr., University of Pittsburg, conduce una serie di esperimenti psulla possibilità di generare nuovacartilagine. Nonostante questi esperimenti non i t ti i h siano stati un pieno successo, hanno

comunque dimostrato che materiali nuovi biocompatibili possono fungere da substrato biocompatibili possono fungere da substrato per la generazione di nuove cellule cartilaginee.g

Anni 80 ricercatori e industrie continuano a studiare il potenziale delle bmp nella guarigione delle f tt ll i i di lt i ti i di t ti fratture e nella guarigione di altri tipi di tessuti. Nasce il Genetics Institute di Cambridge, Mass., USA per lo studio delle bmp USA per lo studio delle bmp.

Nel 1987 nasce il Creative Biomoleculea Hopkinton, Mass., USA e inizia a studiare una nuova proteina osteogenica 1 - OP1, nota anche come bmp-7.

1992 Marshall Urist pubblica un lavoro in cui descrive 1992 Marshall Urist pubblica un lavoro in cui descrive l’utilizzo di bmp mescolato a fosfato tricalcico in difetti ossei in cani: i risultati riportati sono peccellenti.Negli anni seguenti un gran numero di ricercatoriif i lt tt ti ll ti i lt ti i lt i riferiscono altrettanti eccellenti risultati in altri

modelli animali.

1993 S. Myamoto et al. dimostrano che l’acido polilattico mescolato a BMP e iniettato nella pparete del periostio di ratti è un metodo efficace per la formazione di tessuto osseo eterotopico.

Sono state studiate successivamente molte sostanze che potevano essere utilizzate sostanze che potevano essere utilizzate

come carrier

1997 Il food and drug administration approvail “Carticel” della Genzime il Carticel della Genzime. È il primo “prodotto” nella ingenerizzazione tissutale.Vengono prelevati condrociti, riprodotti a milioniin laboratorio e reinnestati nel difetto dello stesso paziente.

1998 Il Food and Drug Administration approva 1998 Il Food and Drug Administration approva lo Hyalograft della Fidia Advanced Biopolymers, Italia. Vengono prelevati condrociti e riprodotti g p pa milioni su di un supporto di acido ialuronico e reinnestati nel difetto dello steso paziente.

i i t d l l’ li f In maggio viene approvato dal FDA l’Apligraf per l’uso in ulcere agli arti. Apligraf è prodotto dalla Organogenesis specializzata dalla Organogenesis, specializzata nella rigenerizzazione di pelle umana.

1999 Biotech ottiene il PMA per il op-1 una proteina ricombinata indicata per l’impiego in pseudoartrosi di ossa lunghein pseudoartrosi di ossa lunghe.

La banca del tessutoLa banca del tessutomuscoloscheletrico

e i tessuti omologhi di banca:un po’ di storiaun po’ di storiaun po di storiaun po di storia

La medicina, come disciplina toria p

formale, nasce in Egitto.Nel papiro di Imhotep, tradotto

stp p p

da Edwin Smith nel 1850 ca., vengono descritte lussazioni

Imho

tep

gcervicali, fratture del cranio e fratture composte.pSono state trovate mummie con rudimentali ginocchiere gin legno e “cinghie” in lino agli arti.

Tentativi di sostituire o integrare organi e tessuti

stor

ia

o integrare organi e tessutinon più attivi dal puntodi vista funzionale odi vista funzionale ometabolico in seguitoad eventi patologici ad eventi patologici o traumatici risalgono a tempi antichissimi.a tempi antichissimi.

Il primo innesto osseo viene utilizzato agli inizi del 1800 dopo trapanazione ra

fting

”

agli inizi del 1800 dopo trapanazione del cranio, chiudendo il foro con la bratta asportata. “b

one

grco a b a a aspo a a. E’ l’inizio informale del “bone grafting”. Alla fine dello stesso secolo vengono riportati interventi con l’utilizzo di tessuto autologo.Seydel utilizza flap periostei per chiudere difetti cranici.B i ti di Bergmann innesti di perone per chiudere difetti tibiali.

La chirurgia ortopedica di oggidifferisce spiccatamente da quella praticata differisce spiccatamente da quella praticata

appena 20anni fa

I principi fondamentali della terapiaora incorporano p

principi di biologia cellulare e molecolare.Dove prima il trattamento era grossolanop g

ora è organizzato in tre livelli:TESSUTALE

CELLULARE MOLECOLARE

L’interdipendenzaL interdipendenzatra scienza di base e applicazione clinica

è fondamentaleè fondamentaleper lo sviluppo di tecniche innovative

e strategie di trattamento e strategie di trattamento

Sin dal primo tentativo di innesto osseo S da p o e a o d es o osseo effettuato con successo dal chirurgo olandese gJob van Meeneren nel 1668,(osso prelevato dal cranio di un cane e innestato in un cranio umano)sono stati presi in considerazione moltissimi materiali per innestimoltissimi materiali per innestiper migliorare la guarigione delle fratture, le fusioni spinali per riempire difetti ossei le fusioni spinali, per riempire difetti ossei

1674 D i i d ll t tt d ll’ 1674 Descrizione della struttura dell’osso da parte dell’olandeseA t i L hAntoni van Leeuwenhoc

1822 Primo innesto di pelle autologo effettuato da Berger

1867 Il francese Ollier dimostra che il tessuto osseo autologo è vitale (Traité experimental e clinique d l ti d )de la regeneration des os)

1869 Primo innesto di pelle autologo ff tt t d l hi i effettuato dal chirurgo svizzero

Jacques Louis Reverdin

1880 Primo innesto di tessuto osseo autologo eseguito da William McEwen (Scozia)

1906 Edward Zirm innesta la prima cornea1908 Primo innesto osteoarticolare 1908 Primo innesto osteoarticolare

(ginocchio)eseguito con successo da Eric Lexerda Eric Lexer

1911 Primo innesto di vena omologa in una ricostruzione di arteria in una ricostruzione di arteria eseguito da Yamanouchi

1915 F B Alb bbli l 1915 F.B. Albee pubblica un manuale sulla chirurgia degli innesti e ottiene i di t immediato successo

1949 La US Navy crea la prima banca dei tessuti a Bethesda, Maryland, USA

1955 Gordon Murray innesta la prima valvola cardiaca fresca nell’aorta discendenteShaw e Wheelock utilizzano Shaw e Wheelock utilizzano un innesto congelato di vena in un bypass della femoralein un bypass della femorale

1962 Primo innesto fresco di l l di di una valvola cardiaca in un cuore effettuato da Brian B t B (NZ) D ld R (UK)

Primi anni 70Barret-Boyes (NZ) e Donald Ross (UK)

Utilizzo di valvole cardiache criopreservate effettuato da Mark O’Brien (AUS) e William Angell(Stanford Medical Center, Palo Alto, CA, USA)

1971 Utilizzo di innesti omologhi di pelle criopreservaticriopreservati

1974 Primo innesto venoso autologo criopreservato eseguito criopreservato eseguito da Dent Weber

1976 Creazione della AATB(American Association of Tissue Bank)

1989 Negli USA vengono innestati 200 000 t ti di b200.000 tessuti di banca

99 i d t l 1991 Viene Fondata la EATB(European Association of Tissue Banks)

1993 Il FDA inizia a regolamentarele banche dei tessuti americanele banche dei tessuti americane

1997 Il FDA implementa pla regolamentazione delle banche dei tessuti americane

1997 Viene aperta la BTM del Rizzoli

1999 Negli USA vengono innestati 1999 Negli USA vengono innestati 500.000 tessuti di banca

1999 I It li i l t l l1999 In Italia viene promulgata la leggequadro su organi e tessuti (L. nr. 91)

2004 In Italia vengono pubblicate le Linee Guida per i tessuti pin Conferenza Stato-Regioni e un primo elenco di Banche dei pTessuti internazionali autorizzate

2005 Negli USA vengono innestati 2005 Negli USA vengono innestati 800.000 tessuti di banca

2005 In Italia vengono innestati 10.000 tessuti di banca10.000 tessuti di banca

2010 Negli USA vengono innestati 2.000.000 tessuti di banca2.000.000 tessuti di banca

2010 In Italia vengono innestati 2010 In Italia vengono innestati 20.000 tessuti di banca