Ingegneria tissutale e Medicina Rigenerativa - Francesca Boccafoschi

Come riportato nei documenti dell’Istituto Superiore della Sanità, negli ultimi 50 anni l’invecchiamento della popolazione italiana è stato uno dei più rapidi tra i Paesi maggiormente sviluppati e si stima che nel 2050 la quota di ultra65enni ammonterà al 35,9% della popolazione totale, con un’attesa di vita media pari a 82,5 anni (79,5 per gli uomini e 85,6 per le donne). Questo è certamente uno dei motivi che ha fatto sì che l’interesse verso l’ingegneria tissutale, i biomateriali e la medicina rigenerativa crescesse in maniera esponenziale. Infatti, come tutte le “macchine”, anche e soprattutto quelle più sofisticate, anche il nostro corpo va incontro ad “usura”, ovvero a processi di invecchiamento, che inevitabilmente modificano le caratteristiche morfo-funzionali dei nostri tessuti ed organi.

La necessità di poter riparare la funzionalità di un tessuto o un organo danneggiato è alla base del processo di mantenimento della qualità di vita nei soggetti la cui aspettativa di vita va allungandosi.

I biomateriali sono componenti chiave nell’ingegneria dei tessuti e nelle applicazioni di medicina rigenerativa, allo scopo di ridurre la gravità della malattia e migliorare la qualità della vita di un gran numero di pazienti. Il successo di molte strategie di medicina rigenerativa, come terapie cellulari, organi artificiali e ingegneria tissutale, è fortemente dipendente dalla capacità di progettare o produrre biomateriali idonei, che possano supportare e guidare le cellule durante la guarigione dei tessuti e i processi di rimodellamento. La ricerca di biomateriali con caratteristiche biomeccaniche idonee al recupero funzionale di una parte corporea danneggiata, in realtà, affonda le sue origini già ai tempi di antiche popolazioni, quali i Greci o i Maya e ne sono testimonianza reperti archeologici di antiche protesi dentali e ortopediche giunte fino ai giorni nostri, a consolidare la necessità che da sempre l’uomo ha dovuto affrontare, nel momento in cui una parte del corpo fosse stata danneggiata, facendo sì che lo stesso perdesse significativamente le sua funzionalità.

Un dito protesico ritrovato nei reperti dall'antico Egitto. L'alluce è scolpito nel legno ed è attaccato al piede da un involucro di cuoio cucito. Le conoscenze anatomiche e fisiologiche hanno chiaramente permesso di sviluppare soluzioni sempre più performanti. Le conoscenze nell’ambito delle scienze umane, tuttavia, avrebbero avuto solo un parziale successo nell’ambito rigenerativo se di pari passo le scienze dei materiali ad uso biomedicale non fossero avanzate a tal punto da permettere di progettare e costruire materiali che dimostrano non solo eccezionali proprietà in termini di biocompatibilità, ma anche, sfruttando le conoscenze nell’ambito dei materiali, per poterne modificare la microstruttura, adattandola anche alla possibilità di arricchire i materiali stessi con molecole (per es. antibiotici, fattori di crescita, peptidi…) utili a guidare la rigenerazione funzionale del tessuto, o dell’organo danneggiato. Va da sé che, se in un primo tempo ci si po-

Professore Associato, Laboratorio di Anatomia Umana, Dipartimento di Scienze della Salute, Università del Piemonte Orientale. Presidente Associazione UPO Alumni

Ingegneria tissutale e Medicina Rigenerativa

LA POPOLAZIONE INVECCHIA E LA SCIENZA SI ADEGUA

teva accontentare di utilizzare materiali pressoché inerti, ovvero che non inducessero reazioni avverse quando a contatto con i fluidi e tessuti biologici, quello che si richiede attualmente ad un biomateriale è un ruolo attivo, non solo in termini di integrazione in sede di impianto, ma anche di capacità di guidare la rigenerazione tissutale, sfruttando le reazioni fisiologiche legate alla risposta rigenerativa, che è successiva all’inevitabile risposta infiammatoria in sede di impianto.

Nell’ambito dei biomateriali, si possono distinguere tre categorie principali: metallici, ceramici e polimerici. I materiali polimerici sono senza dubbio i materiali che offrono la maggior possibilità di modificazione, ovvero, oltre alla possibilità di creare co-polimeri utilizzando i singoli polimeri in combinazione tra loro, gli stessi polimeri intrinsecamente possiedono una grande plasticità che permette di modificare la struttura del polimero o del co-polimero in base alla tecnica utilizzata per la produzione della matrice, ottenendo strutture lineari, ramificate o fibre. La base chimica e la microstruttura conferiscono proprietà meccaniche modulabili in base alle necessità.

POLIMERI – PROPRIETÀ GENERALI

• Macromolecole di elevato peso molecolare • Formati da catene di molecole di dimensioni inferiori (chiamate monomeri), che ne rappresentano le unità strutturali • Possono combinarsi con altri polimeri (co-polimeri) • Possiedono una grande plasticità

Queste straordinarie capacità dei polimeri sono già sfruttate anche in natura. Esistono infatti numerosi polimeri naturali quali i polisaccaridi (quali gli amidi o la cellulosa), o le proteine (quali la seta o la lana).

Esistono poi numerosi tipi di polimeri di origine sintetica ottenuti artificialmente attraverso, per l’appunto, processi di sintesi chimica. È dunque facile intuire come l’ambito dei biomateriali sia un settore della ricerca in continua evoluzione, anche grazie alla realizzazione di strumenti sofisticati e incredibilmente precisi, utili non solo alla realizzazione di biomateriali sempre più performanti nell’ambito rigenerativo, ma anche utili nella caratterizzazione dei biomateriali innovativi di nuova sintesi.

“La Donna Bionica” serie televisiva degli anni ’70.

https://www.youtube.com/watch?v=OdVC1peKjp4 L'Uomo da Sei Milioni di Dollari, 1974

https://www.youtube.com/watch?v=9YIcZB0fkiM

Alla luce delle attuali conoscenze, quanto raccontato negli anni ’70 da due famosi telefilm sulle avventure dell’uomo e della donna bionica, sembra oggi quasi logico ed estremamente intuitivo. Ma se rapportato a quel periodo storico, quando lo studio dei biomateriali muoveva i suoi primi passi, di certo non si può che stupirsi di quanta strada abbia fatto la scienza in poche decine di anni, rendendo ordinario ciò che sembrava straordinario. Aree di impiego di oggi e del prossimo futuro, della Medicina rigenerativa, un settore di ricerca molto articolato, finalizzato in ogni suo orientamento a migliorare la salute e la qualità della vita delle persone. MEDICINA RIGENERATIVA

INGEGNERIA DEI TESSUTI

Ambiti applicativi (esempi): • Ortopedico • Dentale • Rigenerazione della pelle • Cardiovascolare • ...

TERAPIA GENICA E CELLULARE

Ambiti applicativi (esempi): • Tumori ematologici • Malattie metaboliche • ...

DISPOSITIVI MEDICI E ORGANI ARTIFICIALI

Ambiti applicativi (esempi): • Protesi ortopediche • Protesi dentarie • Oculistica • Protesi cardiovascolari • Protesi acustiche • Dispositivi biomedicali in genere • ...

Letture consigliate

• Rahmati M, et al. Biomaterials for Regenerative

Medicine: Historical Perspectives and Current

Trends. Adv. Exp. Med. Biol. 2018; 1119:1-19. • Hildebrand, Hartmut F. "Biomaterials – a history of 7000 years" BioNanoMaterials. 2013; 14(3-4)119-133. • Ranganathan B, et al. Biocompatible Synthetic and Semi-synthetic Polymers - A Patent Analysis. Pharm. Nanotechnol. 2018; 6(1):28-37. • Binyamin G, et al. Biomaterials: a primer for surgeons. Semin. Pediatr. Surg. 2006; 15(4):276-83.