Lingegneria tissutale è il settore terapeutico interdisciplinare che si pone l'obiettivo di soddisfare le esigenze mediche legate a tessuti e organi ricreandoli, ingegnerizzandoli o favorendone la riparazione (nel caso siano danneggiati, stimolando gli auto-meccanismi di riparazione dell'organismo); ristabilendo, ricreando o migliorando, quindi, le loro originarie funzioni biologiche. Essa rappresenta anche uno degli strumenti utilizzati dalla medicina rigenerativa. L'ingegneria tissutale, inoltre, studia la progettazione e la realizzazione di bioreattori dove vengono prodotti organi e tessuti, partendo dall'inseminazione di cellule in opportuni scaffold; ovvero delle impalcature tridimensionali, di varia natura, che sostengono l'architettura cellulare.
Gli scaffold, che in genere sono in materiale nanocomposito polimerico biocompatibile, sono ingegnerizzati al fine di permettere una miglior adesione, crescita, differenziazione e diffusione cellulare; definendo la forma finale dell'organo o tessuto da rigenerare.
Nell'ultimo decennio si è posta particolare attenzione allo sviluppo di scaffold tridimensionali, bioreattori e dispositivi organ-on-chip.
Storia Il termine ingegneria tissutale compare attorno agli anni settanta del secolo scorso inteso unicamente come manipolazione di tessuti e organi; in seguito il termine assume la moderna accezione, ovvero viene definito come quel campo interdisciplinare che applica i principi e i metodi dell'ingegneria e delle scienze della vita al fine di sviluppare dei sostituti biologici per il mantenimento, la riparazione, la sostituzione o il potenziamento funzionale di tessuti biologici o interi organi.
Nel 1994 venne costituita a Boston la società di ingegneria tissutale il cui acronimo era TES (Tissue Engineering Society), inoltre venne fondata la rivista specialistica “Tissue engineering” (i.e. ingegneria tissutale).
La TES si trasformò in seguito in TESI (Tissue Engineering Society International) ed infine, un decennio dopo (2005) dall'unione di quest'ultima con altre società di ingegneria tissutale, quali quella europea (ETES: European Tissue Engineering Society) e varie omologhe asiatiche, nacque la società TERMIS (Tissue Engineering and Regenerative Medicine International Society), comprendendo oltre all'ingegneria tissutale anche il settore della medicina rigenerativa.
L'ingegneria tissutale ottenne una grande popolarità nonché scalpore, grazie al servizio televisivo della BBC del 1997, nel quale si dimostrava la possibilità di ingegnerizzare il tessuto cartilagineo mostrando ai telespettatori un topo con un orecchio umano innestato sulla sua schiena, chiamato Auricolosauro creato da due fratelli ricercatori Charles e Joseph Vacanti, di famiglia con origini siciliane Devis Bellucci, Materiali per la vita. Le incredibili storie dei biomateriali che riparano il nostro corpo., cap. 9 L'eredità dell'Auricolosauro. Ingegneria dei tessuti e cellule staminali, 2022, Bollati Boringhieri, Torino, ISBN 978 88339 3778 6.
Il futuro di questo settore dell'ingegneria e della medicina è quello, tramite l'utilizzo di nuove tecnologie e materiali, di rigenerare o sostituire tessuti e organi danneggiati o compromessi da patologie, malattie o traumi.
Biomimesi della matrice extracellulare Nei tessuti naturali le cellule sono immerse in una matrice extracellulare (ECM: extracellular matrix) caratterizzata da una struttura di nanofibre naturali gerarchicamente organizzate a formare un network polimerico. Tramite le interazioni che si generano tra le nanofibre e le cellule, la ECM:
Sostiene l'intera architettura cellulare e determina, quindi, la morfologia del tessuto;
influisce sul comportamento delle cellule (proliferazione, differenziazione e migrazione) attraverso stimoli biomeccanici, il legame con fattori di crescita ed interazioni con i recettori superficiali delle cellule;
influisce sulle proprietà meccaniche (resistenza a compressione e a trazione, elasticità…) dei diversi tessuti e organi.
La matrice extracellulare naturale è costituita da tre classi di biomolecole:
proteine fibrose strutturali come collagene fibrillare (in particolare del tipo I, II e III) ed elastina: il collagene impartisce integrità strutturale e resistenza ai tessuti, mentre l'elastina ne aumenta le proprietà elastiche proteoglicani (molecole proteiche che si formano dall'unione di glicosamminoglicani (GAGs: polisaccaridi a catena non ramificata) con proteine dell'ECM): permettono di legare e immagazzinare i fattori di crescita all'interno dell'ECM; polisaccaridi non-proteoglicani: un esempio è l'acido ialuronico che impartisce resistenza a compressione ai tessuti grazie alla sua capacità di rigonfiarsi in presenza di acqua.
Il successo nella rigenerazione di tessuti dipende dalla capacità di produrre e ingegnerizzare materiali biomimetici che simulino la complessità e le funzionalità della ECM ricreando un ambiente che supporti e regoli le funzioni cellulari necessarie alla sintesi dei diversi tessuti.
Nell’ambito della rigenerazione tissutale si ricorre all’utilizzo di scaffold, strutture artificiali in grado di imitare le caratteristiche della ECM naturale del tessuto che si è interessati a crescere. Essendo i costituenti della ECM di dimensione nanometrica (il diametro delle proteine strutturali è compreso tra i 50 e i 500 nm) le nanotecnologie rivestono un ruolo centrale nella produzione di scaffold.
Ciascun tessuto è caratterizzato da una ECM avente composizione, struttura e proprietà biochimiche e meccaniche differenti per cui risulta necessaria la realizzazione di scaffold appositamente studiati per ciascun specifico tessuto. Lo scaffold deve essere biocompatibile, possedere la corretta porosità e interconnettività e degradare nei tempi giusti in modo da interagire in maniera ottimale con le cellule del tessuto.
Biocompatibilità e tossicità nell'ingegneria tissutale Il potenziale impiego di nanomateriali e nanocompositi (in particolare quelli avente una matrice polimerica) in ambito biomedico, rende necessaria la valutazione della biocompatibilità e l'eventuale tossicità di questi materiali nei confronti dei sistemi biologici viventi con cui entreranno in contatto.
La biocompatibilità è definita come l'abilità di un materiale di operare in una specifica situazione con l'appropriata reazione dell'ambiente ospitante. Il materiale deve cioè determinare una favorevole reazione del corpo alla sua presenza e contemporaneamente non deve causare lo sviluppo di una reazione avversa.
Per tossicità si intende, invece, la capacità di una sostanza, a determinate dosi o concentrazioni, di provocare danni e rischi anche gravi, acuti o cronici a carico degli organismi viventi ai quali sia stata somministrata o che siano venuti in contatto con essa.
Risulta, quindi, estremamente importante valutare la risposta specifica di cellule e tessuti (sotto condizione di esposizione acuta o cronica e a dosi farmacologiche o tossicologiche) ad ogni materiale candidato tramite test: in vivo utilizzando modelli animali;
in vitro tramite test di: citocompatibilità: permette di stabilire la citotossicità di un materiale, valutando se l'interazione con il biomateriale provoca la morte o alterazioni negative delle cellule; emocompatibilità: permette di stabilire il grado di coagulazione del sangue sui biomateriali o sui dispositivi che entrano in contatto con il sangue. Tali analisi dovrebbero essere un passaggio preliminare per lo sviluppo di qualsiasi materiale avente impiego biomedico.
Biocompatibilità e tossicità di nanomateriali La biocompatibilità ed eventuale tossicità dei nanomateriali dipende da vari fattori: composizione, dimensione, concentrazione, forma, stato di aggregazione, reattività e carica superficiale, potenziali di attrazione elettrostatica, metodi di sintesi e modificazione.
Per poter stabilire la quantità di nanomateriale che un organismo può assumere, bisogna tener conto di fattori quali la potenziale tossicità, il metabolismo, la stabilità, i meccanismi di smaltimento e l'accumulo in vivo.
Le modalità e le tempistiche in cui avviene il contatto con il nanomateriale risultano essere parametri importanti per la valutazione della loro compatibilità e tossicità.
I nanomateriali possono penetrare all'interno di un organismo vivente tramite: inalazione (fattori determinanti: dimensione, forma, carica superficiale e stato aggregazionale);
ingestione (fattori determinanti: dimensione, forma e composizione);
attraverso l'epidermide (fattori determinanti: dimensione). La risposta delle cellule all'esposizione è molto varia e dipende dalla natura del nanomateriale, dalla tipologia delle cellule interessate e dalle condizioni di esposizione.
Gli effetti citotossici e biologici dati da un accumulo nel tempo, a seguito di una somministrazione, sono di difficile valutazione; infatti le tecniche utilizzate in vitro sono poco efficacemente replicabili in vivo (microscopia elettronica o a forza atomica) e questo vale anche per le tecniche di marcatura (radioattiva, fluorescente o chimica).
Biomateriali Tra i materiali maggiormente utilizzati nell'ingegneria tissutale spiccano i nanobiomateriali, ovvero una classe di materiali aventi almeno una dimensione nanometrica. La loro diffusione in questo campo deriva dall'eccezionale capacità di mimare le componenti della matrice extracellulare, ovvero di quell'impalcatura tridimensionale che sostiene l'intera architettura cellulare.
Grazie alla struttura reticolare che vanno a formare, i nanobiomateriali permettono interazioni meccaniche dirette con le cellule (in particolare con i recettori superficiali), fungono da mezzo per fornire segnali adatti a manipolare l'architettura cellulare e guidarne il comportamento. Inoltre, tale struttura reticolare favorisce l'adesione, la crescita, la proliferazione e la differenziazione delle cellule, impartendo le desiderate proprietà meccaniche, chimiche e biologiche al tessuto.
L'utilizzo ottimale di questi biomateriali potrebbe, almeno potenzialmente, permetterci di comprendere il linguaggio cellulare per “istruire” ed alterare il comportamento delle cellule nella riparazione di tessuti e nella ricostruzione di organi.
I requisiti che i biomateriali devono rispettare per l'utilizzo nell'ingegneria tissutale sono:
biocompatibilità biodegradabilità (i.e. non rendono necessarie successive operazioni atte alla loro rimozione, in quanto le parti degradate non sono tossiche per l'organismo e vengono espulse tramite le naturali vie di smaltimento) costo relativamente basso
I principali biomateriali naturali utilizzati nell'ambito dell'ingegneria tissutale sono: fibronectina, collagene, polipeptidi, glicosaminoglicani, idrossiapatite e alginato.
Per quanto riguarda i biomateriali sintetici, sono fortemente impiegati i nanocompositi polimero-silicato grazie alla loro biocompatibilità e all'incremento delle proprietà meccaniche ottenibili, ma non solo, molto usati sono anche PCL,PLA, PGA, PLGA.
I nanofiller più comunemente utilizzati sono invece silice, Montmorillonite naturale o modificata (Cloisite), Bentonite, Wollastonite, Laponite (un'argilla sintetica del tipo Hectorite) e vetri bioattivi (sintetici).
Come esempi di sistemi polimero-silicato si citano: Acido polilattico-co-glicolico (PLG) – Montmorillonite (MMT): l'aggiunta di piccole quantità di MMT aumenta la tenacità e l'elongazione del PLG dal 7% al 210% in test di trazione, a causa di un cross-linking fisico che si realizza tra polimero e nanoparticelle → impiegati in suture.