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I SOSTITUTI SOS OSS OSSEI NEL 21째 SECOLO


Leon nardo o da V Vinci

“Là dove la natura finisce di produrre le sue specie, specie l ’uomo comincia, utilizzando le specie della natura e in armonia con la natura stessa, a creare una infinità di specie”


S Sostitu uti osssei

La p perdita o l’insufficienza funzionale di un tessuto o di un organo rappresentano uno dei problemi più invalidanti, frequenti e costosi t i nell’ambito ll’ bit d della ll sanità. ità Il problema non è esclusivamente limitato alla mancanza da organi “in in toto” toto come fegato, rene, cuore, pancreas ma coinvolge g anche deficit tessutali localizzati e limitati a parti di non vitale importanza che comunque determinano una scarsa qualità lità della d ll vita. it


S Sostitu uti osssei

Mentre la perdita di un organo viene necessariamente compensata con un trapianto, nel caso di perdite di sostanza il chirurgo g deve ingegnarsi g g su come ricostruire la funzione di tessuti ed organi danneggiati utilizzando i tessuti residui id i o con ciò iò che h a di disposizione i i dalle industrie dei biomateriali.


Definizio one di biom materriale

“Tutti i materiali o loro combinazioni sia sintetici, naturali che ibridi impiegati p g per il trattamento, miglioramento o sostituzione di tessuti, organi g o funzioni del corpo umanoâ€? Ma al di lĂ della definizione, biomateriali sono tutti quei materiali che sono stati specificatamente progettati e utilizzati in applicazioni biomediche.


Di origine um mana

tessuto omologo PRP a base cellulare cellule

Medical D Device

Classifficazio C one d dei biomatteriali

tessuto autologo

tessuto eterologo g materiali di sintesi


Di origine umana


Te essuto o auto ologo

E’ il tessuto prelevato dal paziente stesso. L cresta La t ili iliaca è sito it primario i i per il prelievo autologo per la qualità e la quantità di tessuto disponibile. disponibile


Te essuto o omo ologo

E’ il tessuto prelevato da donatore ed opportunamente t t processato t per renderlo idoneo all’utilizzo chirurgico.


PR RP

Le piastrine autologhe concentrate sono una fonte di GFs in una concentrazione di fibrinogeno. Accelerano la riparazione tessutale.


Ab base c cellula are

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


Ce ellule sstaminali

Tipo Embrionali

Descrizione Cellule prelevate dalla blastocisti

Fetali

Cellule prelevate dalle gonadi di feti abortiti

Ombelicali

Cellule prelevate dal sangue omblelicale dei neonati

Placentari Adulte

Cellule prelevate dalla placente di neonati Cellule prelevate da tessuti adulti


Medical Device

(Presidi Medico-chirurgici)


Tesssuto e eterolo ogo

E’ il tessuto proveniente da mammiferi opportunamente trattato per renderlo sterile e utilizzabile tili bil (solitamente bovino, suino o equino)

o di sintesi


Di sin ntesi

Sostituti ossei che contengono ceramiche ((solfato di calcio, biovetri, fosfato di calcio, ecc…). L’uso delle ceramiche, soprattutto tt tt d deii ffosfati f ti di calcio, l i è motivato dal fatto che la componente inorganica principale dell’osso è idrossiapatite. I fosfati di calcio sono sono inoltre osteoconduttivi, osteointegrativi e i qualche in l h caso osteoinduttivi t i d tti i (osteopromotion).


L’interdipendenza tra scienza di base e applicazione clinica è fondamentale per lo sviluppo di tecniche innovative e strategie di trattamento


LL’ingegneria ingegneria tessutale


L’ingegneria tessutale utilizza i principi dell dell’ingegneria ingegneria e delle scienze biomediche per elaborare prodotti artificiali o biologici in grado di ripristinare, o comunque mantenere, mantenere la funzione di tessuti ed organi danneggiati tramite un processo coinvolgente cellule cellule, segnali molecolari e matrice extracellulare (ECM).


La matrrice e extrac cellula are

La matrice extracellulare: • è fondamentale per il funzionamento della cellula • dà supporto meccanico • fornisce un substrato per la migrazione • fissa le molecole differenzianti • si modifica costantemente • fornisce istruzioni per i processi di distruzione cellulare • l’ingegneria tessutale fornisce la ECM


La matrrice e extrac cellula are

scaffold

Tessuto innestato

cellule

fattori di crescita + FORZE BIOMECCANICHE


Lo scaffold deve: • essere biocompatibile • favorire f i - adesione, - migrazione - proliferazione - differenziamento cellulare - sintesi di matrice extracellulare (ECM)


Lo sca affold

Il materiale ideale per uno scaffold dovrebbe interagire selettivamente con i GFs liberati dalle cellule dei tessuti circostanti la lesione

cellula

ECM

INTETRAZIONI

migrazione proliferazione differenziazione

cellula/ECM cellula/biomateriale cellula/cellula

meccanismi di guarigione


Lo scaffold può aiutare la differenziazione cellulare interazione cellula-cellula interazione cellula-cellula PROCESSO

Attacco

TEMPO

secondi

Proliferazione & differenziazione stimoli meccanici stimoli elettrici interazioni cellula-substrato

Deposizione tessuto

Maturazione tessuto MATERIALE

CELLULE

settimane


Deposito cellule

Substrato ttridimennsionale idi i l

Substrato per le cellule

Substrato per i Growth G th Factor F t

Apporto vascolare

L interazione di questi materiali L’interazione con il sangue è particolarmente importante per l’adsorbimento di proteine. Componenti del sangue che vengono adsorbiti da questi materiali includono fibrinogeno e fibronectina. Queste proteine si attaccano alle piastrine innescando la risposta trombogenica (coagulazione).


C Crono ologia nella iingegn nerizza azione e dei te essuti

Come in ogni altro campo, nell’ultimo nell ultimo ventennio la tecnologia è prepotentemente entrata nella medicina. Progressi nella biologia cellulare, sviluppi della biologia e scienza dei materiali h hanno permesso aii ricercatori i t i di identificare le molecole che controllano differenziazione cellulare, cellulare sviluppo e ambiente. Risalgono agli inizi del 20° secolo i primi studi sui meccanismi di guarigione o rigenerazione dell’apparato muscolo scheletrico.


1908 Il medico tedesco Erich Lexer riferisce ll’impiego impiego di innesti strutturali osteoarticolari omologhi per la ricostruzione nella chirurgia g tumorale ((articolazioni)) 1924 Il ricercatore tedesco Hans Spemann, lavorando con uova di anfibio, anfibio scopre quello che viene chiamato “effetto organizzativo” dello sviluppo embrionale. organizzativo 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” organizzatori , che ha portato allo sviluppo della 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 nel midollo osseo con capacità di formare 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 da un estratto di matrice ossea decalcificata. Urist ha chiamato quello che lui pensava essere 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 factor” - TGF. 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 p sulla possibilitĂ di generare nuova cartilagine. Nonostante questi esperimenti non siano i stati t ti un pieno i successo, hanno h comunque dimostrato che materiali nuovi 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 fratture e nella ll guarigione i i di altri lt i ti tipii di ttessuti. ti Nasce il Genetics Institute di Cambridge, Mass., USA per lo studio delle bmp. bmp Nel 1987 nasce il Creative Biomolecule a 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 l’utilizzo di bmp mescolato a fosfato tricalcico in difetti ossei in cani: i risultati riportati p sono eccellenti. Negli anni seguenti un gran numero di ricercatori riferiscono if i altrettanti lt tt ti eccellenti ll ti risultati i lt ti iin altri lt i modelli animali. 1993 S. Myamoto et al. dimostrano che l’acido polilattico mescolato a BMP e iniettato nella p parete 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 come carrier


1997 Il food and drug administration approva il “Carticel” Carticel della Genzime. Genzime È il primo “prodotto” nella ingenerizzazione tissutale. Vengono prelevati condrociti, riprodotti a milioni in laboratorio e reinnestati nel difetto dello stesso paziente. 1998 Il Food and Drug Administration approva lo Hyalograft della Fidia Advanced Biopolymers, g prelevati p condrociti e riprodotti p Italia. Vengono a milioni su di un supporto di acido ialuronico e reinnestati nel difetto dello steso paziente. In maggio i viene i approvato t dal d l FDA l’ l’Apligraf li f per l’uso in ulcere agli arti. Apligraf è prodotto dalla Organogenesis, 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 lunghe. lunghe


La banca del tessuto muscoloscheletrico e i tessuti omologhi di banca:

un po po’ di storia


sttoria Imhotep

La medicina, come disciplina p formale, nasce in Egitto. Nel p papiro p di Imhotep, p tradotto da Edwin Smith nel 1850 ca., vengono g descritte lussazioni cervicali, fratture del cranio e fratture composte. p Sono state trovate mummie con rudimentali ginocchiere g in legno e “cinghie� in lino agli arti.


storia

Tentativi di sostituire o integrare organi e tessuti non pi첫 attivi dal punto di vista funzionale o metabolico in seguito ad eventi patologici o traumatici risalgono a tempi antichissimi.


“bone grrafting”

Il primo innesto osseo viene utilizzato agli inizi del 1800 dopo trapanazione del cranio, chiudendo il foro con la co a bratta b a a asportata. 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 Bergmann innesti i ti di perone per chiudere difetti tibiali.


La chirurgia ortopedica di oggi differisce spiccatamente da quella praticata appena 20anni fa


I principi fondamentali della terapia ora incorporano p principi di biologia cellulare e molecolare. Dove p prima il trattamento era g grossolano ora è organizzato in tre livelli: TESSUTALE CELLULARE MOLECOLARE


LL’interdipendenza interdipendenza tra scienza di base e applicazione clinica è fondamentale per lo sviluppo di tecniche innovative e strategie di trattamento


S dal Sin da primo p o tentativo e a o di d innesto es o osseo effettuato con successo dal chirurgo g olandese Job 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 innesti per migliorare la guarigione delle fratture, le fusioni spinali, spinali per riempire difetti ossei


1674 Descrizione D i i d della ll struttura t tt d dell’osso ll’ da parte dell’olandese A t i van Leeuwenhoc Antoni L h 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 lla regeneration de ti des d os))

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


1880 Primo innesto di tessuto osseo autologo eseguito da William McEwen (Scozia) 1906 Edward Zirm innesta la prima cornea 1908 Primo innesto osteoarticolare (ginocchio)eseguito con successo da Eric Lexer 1911 Primo innesto di vena omologa in una ricostruzione di arteria eseguito da Yamanouchi


1915 F.B. F B Alb Albee pubblica bbli un manuale l sulla chirurgia degli innesti e ottiene i immediato di t 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 discendente Shaw e Wheelock utilizzano un innesto congelato di vena in un bypass della femorale


1962 Primo innesto fresco di una valvola l l cardiaca di in un cuore effettuato da Brian B Barret-Boyes tB (NZ) e Donald D ld Ross R (UK) Primi anni 70 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 criopreservati 1974 Primo innesto venoso autologo criopreservato eseguito da Dent Weber


1976 Creazione della AATB (American Association of Tissue Bank)

1989 Negli USA vengono innestati 200 000 ttessuti 200.000 ti di b banca 1991 99 Viene i Fondata d t lla EATB (European Association of Tissue Banks)


1993 Il FDA inizia a regolamentare le banche dei tessuti americane 1997 Il FDA implementa p la regolamentazione delle banche dei tessuti americane 1997 Viene aperta la BTM del Rizzoli 1999 Negli USA vengono innestati 500.000 tessuti di banca


1999 IIn It Italia li viene i promulgata l t lla llegge quadro su organi e tessuti (L. nr. 91) 2004 In Italia vengono pubblicate le Linee Guida p per i tessuti in Conferenza Stato-Regioni e un p primo elenco di Banche dei Tessuti internazionali autorizzate 2005 Negli USA vengono innestati 800.000 tessuti di banca 2005 In Italia vengono innestati 10.000 tessuti di banca


2010 Negli USA vengono innestati 2.000.000 tessuti di banca 2010 In Italia vengono innestati 20.000 tessuti di banca

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