Generazione dell'innesto. Ingegneria dei tessuti: una finestra sulla medicina moderna

Che cosa se potessimo far crescere parti del corpo, come una stella marina? È fantasia o realtà? "A & Z "ha deciso di capire cosa costituisce ingegneria dei tessuti e, soprattutto, è disponibile in Russia?

Cos'è l'ingegneria dei tessuti

Il nostro corpo infatti è capace di rigenerarsi, inoltre lo fa tutti i giorni: le ossa vengono ripristinate ogni dieci anni, e la pelle cambia ogni due settimane. Ma questo, ovviamente, non basta. A causa di malattie, lesioni e semplicemente con l'età, i nostri tessuti e interi organi si rompono e muoiono. Come rallentare questo processo e ripristinare ciò che non c'è più? Questi problemi sono affrontati dalla direzione avanzata della medicina rigenerativa - l'ingegneria dei tessuti, che consente di ricostruire la pelle persa e parti di organi, come il cuore o la vescica.

Perché è necessaria l'ingegneria dei tessuti?

La necrosi tissutale dovuta a malattie, traumi o anomalie congenite è il problema di salute pubblica numero uno al mondo. La necessità di trapianto sta crescendo esponenzialmente in tutti i paesi. La medicina classica moderna attualmente non è in grado di curare molte malattie croniche: sono possibili solo procedure correttive, ma anche trovare un donatore pienamente compatibile è una sfida.

Oggi, uno dei metodi principali per ripristinare organi e tessuti nei casi in cui il trapianto del proprio materiale è impossibile è il suo trapianto - da un donatore vivente o da una persona recentemente deceduta. La cosa principale in questo processo è la massima compatibilità biologica del donatore e del ricevente. Ma anche in questo caso, il sistema immunitario resisterà e interferirà con l'attecchimento dell'organo o del tessuto trapiantato. Pertanto, ai pazienti che hanno subito un trapianto vengono prescritti farmaci speciali temporaneamente o permanentemente - immunosoppressori. In effetti, sopprimono il sistema immunitario di una persona. Ma, nonostante molti sforzi, molto spesso l'organo trapiantato non attecchisce.

Seguendo il principio del "non nuocere", scienziati e medici cercano da tempo modi per ripristinare tessuti e organi usando le forze del corpo stesso del paziente. Per questo è apparsa un'intera sezione di chirurgia ricostruttiva basata su tecniche microchirurgiche. Cucire o trapiantare un dito in caso di lesione, ad esempio da un piede a una mano, ripristinare la ghiandola mammaria dopo la rimozione di un tumore maligno e persino restituire una parte significativa del viso del paziente - dopo una lesione, un'oncologia o una lesione. Ma la microchirurgia non è onnipotente. Così iniziò a fiorire l'ingegneria dei tessuti, che apparve molto prima della microchirurgia.

Un po' di storia

Per la prima volta, il medico americano Leo Loeb ci ha pensato alla fine del XIX secolo. Nel 1897 condusse un esperimento: osservò come le cellule si divisero nel sangue e nella linfa coagulati. Dopo aver pubblicato le sue osservazioni, tuttavia, non ha rivelato i parametri esatti dell'esperimento, il che ha reso questo lavoro ancora più intrigante. Seguendolo, molti scienziati hanno cercato di affrontare questo argomento da diverse angolazioni, ma solo dieci anni dopo, il suo collega e connazionale, lo scienziato Ross Harrison, è riuscito a far crescere e mantenere in vita le fibre nervose e le cellule prelevate dal tessuto di un embrione di rana. E già nel 1912, il chirurgo francese Alexis Carrel, insieme ai suoi colleghi, riuscì a mantenere in vita una piccola sezione del cuore di un embrione di pollo. Questo biomateriale è rimasto vitale ed è persino cresciuto per 24 anni!

Metodi per la crescita dei tessuti

Da allora, l'ingegneria dei tessuti ha fatto molta strada. Ora vengono utilizzati metodi diversi per far crescere i tessuti, ma uno dei principali - scaffold - tecnologia scaffold. Sperimentatori di diversi paesi lo praticano dagli anni '90. Secondo questa tecnologia, le cellule di un organismo vivente vengono prese come campione: un pezzo di tessuto o un organo separato. Quindi, con l'aiuto di enzimi, viene disassemblato in singole cellule e coltivato per quattro o sei settimane.

Prossima fase - trapianto di cellule moltiplicate su un'impalcatura, speciale matrice temporanea. Esternamente, l'impalcatura può essere scambiata per un tessuto di cotone, abbastanza adatto per una camicetta o una camicia, ma in realtà è un materiale artificiale costruito in modo intricato. Su tale cornice viene coltivato un biomateriale destinato al trapianto su una persona. Il design viene impiantato dove non c'è tessuto, ad esempio sull'uretra o sul rene. L'impalcatura funge da sorta di corriere per le nuove celle. Non appena il tessuto danneggiato viene riparato, il liberatore viene assorbito, scomparendo senza lasciare traccia.

Un vivido esempio di tale lavoro è la ricostruzione della vescica del chirurgo americano Anthony Atala per Luke Massella, un bambino di dieci anni con una malformazione congenita della colonna vertebrale - spaccatura. La malattia ha paralizzato la vescica del bambino e quando i genitori sono andati dal medico per chiedere aiuto, i reni stavano già cedendo. "Per la crescita" hanno preso del tessuto vescicale delle dimensioni di mezzo francobollo. La coltivazione delle cellule in laboratorio ha richiesto quattro settimane. Il team di Atala ha quindi creato un'impalcatura a forma di vescica, il guscio interno di questo patibolo ricoperto di cellule che rivestono l'organo "originale" e il guscio esterno con muscoli. Il modello è stato posto in un bioreattore (un analogo medico di un forno) per la maturazione. Dopo sei-otto settimane, l'organo completamente formato è stato trapiantato. Allo stesso modo intricato, Atala è riuscita a far crescere una valvola cardiaca e persino un orecchio. A proposito, ho dovuto armeggiare con esso: la cartilagine del paziente è stata seminata nello stampo, che, dopo aver trascorso diverse settimane nel bioreattore, si è trasformato in un orecchio per impalcatura indipendente. Per gli organi più complessi, come il cuore, il collega scienziato cinese di Atala Tao Zhu ha sviluppato una tecnica che utilizza le stampanti 3D. Invece dell'inchiostro, le cellule umane vengono versate nelle cartucce, dalle quali viene letteralmente stampato un cuore entro un'ora e dopo 46 ore è pronto per l'uso.

Anche gli organi dei donatori vengono utilizzati come struttura. Prendiamo il fegato: con l'aiuto di strumenti speciali, tutte le cellule del donatore vengono rimosse da esso, quindi le cellule del paziente vengono introdotte nello "scheletro" devastato, dall'interno e dall'esterno. Le cellule del paziente sono una garanzia che non ci sarà rigetto dal corpo. L'ingegneria dei tessuti appartiene ancora alla scienza sperimentale, ma gli esperimenti già esistenti dimostrano che tutto può essere creato usando questa tecnica: valvole cardiache, vasi sanguigni, fegato, muscoli, orecchie e dita di una persona. Gli scienziati sperano che la nuova tecnica aiuterà anche a far fronte a un altro problema acuto del trapianto: la carenza di organi donatori.

L'autotrapianto in medicina estetica

Oggi, l'autotrapianto convenzionale è ampiamente utilizzato per ustioni, lesioni alla cartilagine, ai tendini e persino alle ossa. Al momento, l'ingegneria dei tessuti a livello di medicina di bellezza non può offrire cose eccezionali, ma qualcosa c'è. In medicina estetica è ampiamente utilizzata l'operazione di autotrapianto della cartilagine e del tessuto adiposo. Il proprio tessuto cartilagineo attecchisce molto meglio durante la rinoplastica e consente di modellare in modo flessibile la forma del naso. Con la genioplastica, puoi facilmente cambiare l'angolo del mento con il tuo tessuto. L'installazione di impianti cartilaginei viene utilizzata anche in malarplastica per aumentare il volume della regione zigomatica.

Medicina rigenerativa in Russia

In Russia, la situazione con l'ingegneria tissutale non è così rosea, nessuno fa ancora crescere organi, ci sono tecniche rigenerative in cardiologia e viene utilizzata la correzione dell'ematocorrenza extracorporea. Sono in corso esperimenti sulla stampa 3D, ma al momento, anche dal punto di vista legale, è impossibile effettuare tali operazioni.

La medicina rigenerativa, in particolare la coltivazione di cellule staminali al di fuori del corpo umano, è uno degli eventi principali e importanti nella pratica mondiale. Più di recente, nel 2014, gli scienziati dell'Istituto di ricerca fisica e chimica del Giappone sono riusciti a restituire la vista a una donna di 70 anni e quest'anno i giapponesi sono stati in grado di far crescere pelle, follicoli piliferi e un mini-fegato. La coltivazione della cartilagine, dei tessuti e di alcuni organi interi è già disponibile per la medicina. Non lontano - il cuore, il pancreas e il tessuto nervoso, il cervello. Finora le statistiche non sono incoraggianti: nel mondo muoiono due persone al minuto, che potrebbero salvarsi con un trapianto del proprio tessuto. L'autotrapianto è il futuro che potrebbe salvare milioni di vite.

Le cellule staminali mesenchimali hanno la capacità di entrare nei tessuti del corpo colpiti, e questo è già stato dimostrato. Questa capacità delle MSC viene utilizzata dagli scienziati per fornire geni terapeutici e farmaci ai tessuti.

Le cellule staminali introdotte sistematicamente funzionano come segue. Una volta nel flusso sanguigno, si muove con il sangue e quando incontra agenti che mostrano danni, aderisce 10 volte più fortemente alla parete del vaso. Pertanto, la cellula staminale si ferma esattamente dove c'è il danno.

Nella zona dell'infiammazione, produce fattori paracrini (cioè ha un effetto sulle cellule vicine), guarisce e poi muore. Di lei non è rimasto praticamente nulla.

Se una cellula staminale raggiunge l'area del danno, naturalmente, sorge la domanda se farmaci o qualcos'altro possano essere somministrati insieme ad essa. Prima di tutto, questa domanda sorge in relazione al tumore. Il tumore è anche riconosciuto come una lesione, quindi anche le MSC entrano nello stroma tumorale. A questo proposito, è nata l'idea di inserire geni che distruggono il tumore nelle MSC (e ci sono tali geni). Pertanto, la cellula staminale viene utilizzata come veicolo di consegna per l'agente.

Tali esperimenti sono stati ampiamente condotti all'estero. Sono piuttosto costosi, richiedono un'etichetta appropriata, attrezzature sofisticate per le osservazioni. Per questi motivi, purtroppo, questi esperimenti sono stati effettuati in Russia di rado.

Nanodiamanti

I nanodiamanti sono anche usati come veicoli per la consegna di farmaci e geni. I nanodiamanti lasciano il corpo abbastanza lentamente, arrivano a noi non solo nel sangue, ma anche nella linfa, nel fluido tissutale e se ne vanno con sudore, urina e feci. Ma d'altra parte, il diamante è chimicamente inerte, cioè non introduciamo alcuna chimica nel corpo. Poiché un diamante è una particella meccanica molto piccola, non ci danneggia né meccanicamente né chimicamente. Ma sarà in grado di consegnarci le medicine necessarie. I nanodiamanti entrano nella zona in cui si trovano le cellule staminali adulte e, anche senza farmaci, attivano il sistema ematopoietico.

Questi sono solo i primi esperimenti, ma se seguiremo questa strada, potremo utilizzare prodotti MSC al posto delle cellule. Le colture cellulari, ovviamente, devono essere coltivate e conservate, questo è un processo molto laborioso. Ma i loro prodotti saranno ottenuti allo stesso tempo.

I nanodiamanti, insieme alle cellule staminali e ai loro prodotti, rappresentano un'opportunità molto promettente per fornire geni e farmaci a tessuti e organi problematici. Ci sono ancora molte incognite in questa materia. Ma questa direzione può ottenere uno sviluppo molto rapido, quindi è possibile creare nuovi metodi di trattamento, sicuri ed efficaci - ciò che è richiesto dai farmaci. A questo proposito, le cellule staminali sono riconosciute come la speranza della moderna farmacologia.

Ingegneria dei tessuti

L'ingegneria dei tessuti è la branca della medicina più giovane, ma senza dubbio molto promettente. Il suo compito è creare nuovi materiali per il ripristino/sostituzione di tessuti o addirittura organi danneggiati.

L'ingegneria dei tessuti ha lo scopo di creare sostituti biologici per tessuti e organi.

L'ingegneria dei tessuti si basa su un approccio interdisciplinare. Allo stesso tempo, gli ultimi test nel campo delle cellule staminali aprono un nuovo futuro per lo sviluppo di questa direzione. Le cellule staminali possono essere utilizzate per far crescere il tessuto da esse.

La prima vera direzione nell'ingegneria dei tessuti è stata la creazione di equivalenti della pelle. Dopotutto, è spesso necessario ripristinare aree di pelle abbastanza grandi dopo lesioni, ustioni. Di solito, la pelle viene prelevata dal paziente in altri luoghi e trapiantata nell'area danneggiata. Oppure puoi prendere gli MSC di questa persona, creare una specie di cornice, piantare cellule su di essa e coprire la parte danneggiata con essa. In questo modo si crea la pelle ottenuta artificialmente. In questo caso, la pelle non sarà artificiale, ma reale!

I frammenti di pelle equivalenti viventi, che contengono cellule della pelle di donatori o proprie, sono attualmente ampiamente utilizzati negli Stati Uniti, in Russia e in Italia. Questi sistemi migliorano la guarigione delle superfici bruciate. In Russia, alcune cliniche sono attivamente impegnate in questo settore in collaborazione con l'Istituto di ricerca. N.V. Sklifosofsky, Centro medico biofisico federale. Burnazyan e altri.

Lo sviluppo degli innesti viene effettuato in vari ambiti della medicina: cardiologia (valvole cardiache artificiali, ricostruzione di grandi vasi e reti capillari); ripristino degli organi respiratori (laringe, trachea e bronchi), intestino tenue, fegato, organi del sistema urinario, ghiandole endocrine e neuroni.

Le cellule staminali hanno trovato ampia applicazione nel campo dell'ingegneria dei tessuti. Alcuni scienziati ritengono possibile utilizzare nanoparticelle metalliche per controllare la crescita cellulare influenzandole con campi magnetici di diverse direzioni. Ad esempio, in questo modo è stato possibile creare strutture così complesse come gli elementi della retina.

La creazione di tessuti e organi artificiali migliorerà la qualità della vita, aumenterà la sopravvivenza dei pazienti e consentirà di rifiutare il trapianto di organi di donatori.

Grande successo in questo campo è stato ottenuto da un gruppo di scienziati guidato dal prof. Anthony Atala negli Stati Uniti. Negli ultimi dieci anni, il professor Anthony Atala è riuscito a far crescere e trapiantare dozzine di vesciche nelle persone. Oggi, il laboratorio di Atala coltiva più di due dozzine di tipi di tessuti, dalle valvole cardiache e dai vasi sanguigni ai muscoli delle dita. Una promettente tecnologia di bioingegneria è la coltivazione di molari a tutti gli effetti dalle cellule staminali. Anno dopo anno, in questa direzione compaiono nuovi traguardi. I denti cresciuti utilizzando cellule staminali sono molto più integrati organicamente nella dentatura e non causano rigetto fisico e psicologico. Come mostrano i calcoli preliminari, il costo di tali protesi non supererà significativamente il costo delle protesi artificiali convenzionali. Gli esperti ritengono che in futuro questa tecnologia sarà utilizzata in odontoiatria negli anni 5. Ma questa previsione, vedete, ispira molte speranze! Questa idea colpisce gli interessi di molte persone. L'europeo medio perde circa un quarto dei propri denti all'età di cinquant'anni.

In odontoiatria, le cellule staminali possono essere utilizzate per far crescere un dente completamente perso, per avviare il processo di autoguarigione, auto-restauro di un dente parzialmente distrutto o dei suoi elementi, per il trattamento della malattia parodontale e di altre malattie gengivali. Un'applicazione molto possibile e promettente di questa tecnologia è la lotta contro malformazioni del sistema dentale come la palatoschisi o il labbro leporino.

Nel campo dell'ingegneria dei tessuti, ci sono molte iniziative che sembrano fantastiche finora. Ad esempio, tentativi di far crescere i nervi in ​​laboratorio, creare muscoli, protesi degli organi visivi o un apparecchio acustico. Il lavoro in questa direzione viene svolto intensamente in centri scientifici in diversi paesi. E forse molte idee diventeranno realtà nei prossimi anni.

Qui possiamo ricordare lo slogan che Henry Ford teneva nelle sue fabbriche per i lavoratori delle linee di produzione: “Abbiamo pezzi di ricambio per automobili, ma ricordate che il Signore Dio non ha creato pezzi di ricambio per l'uomo. Stai attento!" Ma ora possiamo obiettare che, sebbene il Signore Dio non abbia creato per noi i pezzi di ricambio, li creiamo con la nostra mente, con le nostre stesse mani.

Recentemente si è osservato in tutto il mondo un modello allarmante, che consiste in un aumento del numero di malattie e disabilità delle persone in età lavorativa, che richiede urgentemente lo sviluppo e l'introduzione nella pratica clinica di metodi nuovi, più efficaci e convenienti di trattamento riparativo dei pazienti.

Uno di questi metodi, insieme all'impianto e al trapianto, è l'ingegneria dei tessuti. Ingegneria cellulare e dei tessuti - è l'ultimo risultato nel campo della biologia molecolare e cellulare. Questo approccio ha aperto ampie prospettive per la creazione di tecnologie biomediche efficaci, con l'aiuto delle quali diventa possibile ripristinare i tessuti e gli organi danneggiati e curare una serie di gravi malattie metaboliche umane.

Lo scopo dell'ingegneria tissutale è la costruzione e la coltivazione di tessuti o organi vivi e funzionali al di fuori del corpo umano per il successivo trapianto in un paziente al fine di sostituire o stimolare la rigenerazione di un organo o tessuto danneggiato. In altre parole, la struttura tissutale tridimensionale deve essere ripristinata nella sede del difetto.

Gli impianti ordinari realizzati con materiali inerti possono solo eliminare i difetti fisici e meccanici dei tessuti danneggiati, a differenza dei tessuti ingegnerizzati che ripristinano, tra l'altro, funzioni biologiche (metaboliche). Cioè, il tessuto viene rigenerato e non semplicemente sostituito con materiale sintetico.

Tuttavia, per lo sviluppo e il miglioramento di metodi di medicina ricostruttiva basati sull'ingegneria dei tessuti, è necessario padroneggiare nuovi materiali altamente funzionali. Questi materiali utilizzati per creare bioimpianti dovrebbero conferire alle strutture di ingegneria tessutale le caratteristiche inerenti ai tessuti viventi. Tra queste caratteristiche:

• 1) la capacità di autoguarigione;
• 2) la capacità di mantenere l'afflusso di sangue;
• 3) la capacità di modificare la struttura e le proprietà in risposta a fattori ambientali, compreso lo stress meccanico.

L'elemento più importante del successo è la disponibilità del numero richiesto di cellule funzionalmente attive in grado di differenziarsi, mantenere il fenotipo appropriato ed eseguire specifiche funzioni biologiche. La fonte delle cellule può essere i tessuti del corpo e gli organi interni. È possibile utilizzare cellule appropriate da un paziente che necessita di terapia ricostruttiva, o da un parente stretto (cellule autogene). Possono essere utilizzate cellule di varia origine, comprese cellule primarie e staminali. Le cellule primarie sono cellule mature di un tessuto specifico che possono essere prelevate direttamente da un organismo donatore (ex vivo) mediante intervento chirurgico. Se le cellule primarie vengono prelevate da un determinato organismo donatore e successivamente è necessario impiantarvi queste cellule come ricevente, viene esclusa la probabilità di rigetto del tessuto impiantato, poiché esiste la massima compatibilità immunologica possibile del primario cellule e il destinatario. Tuttavia, le cellule primarie, di regola, non sono in grado di dividersi: il loro potenziale di riproduzione e crescita è basso. Quando tali cellule vengono coltivate in vitro (attraverso l'ingegneria tissutale), per alcuni tipi di cellule è possibile la dedifferenziazione, ovvero la perdita di proprietà specifiche e individuali. Ad esempio, i condrociti introdotti nella coltura al di fuori del corpo producono spesso cartilagine fibrosa piuttosto che trasparente.

Poiché le cellule primarie non sono in grado di dividersi e possono perdere le loro proprietà specifiche, sono necessarie fonti cellulari alternative per lo sviluppo di tecnologie di ingegneria cellulare. Le cellule staminali sono diventate una tale alternativa.

Le cellule staminali sono cellule indifferenziate che hanno la capacità di dividersi, autorinnovarsi e differenziarsi in vari tipi di cellule specializzate sotto l'influenza di stimoli biologici specifici.

Le cellule staminali si dividono in "adulte" ed "embrionali". Le cellule staminali embrionali sono formate dalla massa cellulare interna del primo sviluppo embrionale, mentre le cellule staminali adulte sono formate da tessuti adulti, dal cordone ombelicale o anche da tessuti fetali. Tuttavia, esiste un problema etico associato all'inevitabile distruzione dell'embrione umano quando si ottengono cellule staminali embrionali. Pertanto, è preferibile "estrarre" cellule dai tessuti di un organismo adulto. Ad esempio, nel 2007, Shinya Yamanaka dell'Università di Kyoto in Giappone ha scoperto cellule staminali pluripotenti indotte (iPSC) derivate da tessuti tegumentari umani (principalmente pelle). Gli IPSC offrono opportunità davvero senza precedenti per la medicina rigenerativa, sebbene ci siano ancora molti problemi da risolvere prima che entrino seriamente nella pratica medica.

Per dirigere l'organizzazione, supportare la crescita e la differenziazione delle cellule nel processo di ricostruzione del tessuto danneggiato, è necessario uno speciale vettore cellulare: una matrice, che è una rete tridimensionale simile a una spugna o una pietra pomice. Per realizzarli vengono utilizzati materiali sintetici biologicamente inerti, materiali a base di polimeri naturali (chitosano, alginato, collagene) e biocompositi. Ad esempio, gli equivalenti di tessuto osseo si ottengono mediante differenziazione diretta di cellule staminali del midollo osseo, del sangue del cordone ombelicale o del tessuto adiposo in osteoblasti, che vengono poi applicati a vari materiali che ne supportano la divisione (ad esempio, osso donatore, matrici di collagene, ecc.) .

Ad oggi, una delle strategie dell'ingegneria dei tessuti è la seguente:

• 1) selezione e coltivazione di cellule staminali proprie o di donatore;
• 2) sviluppo di uno speciale carrier per cellule (matrice) basato su materiali biocompatibili;
• 3) applicazione della coltura cellulare alla matrice e propagazione cellulare in un bioreattore con particolari condizioni di coltivazione;
• 4) introduzione diretta di una struttura di ingegneria tissutale nell'area dell'organo interessato o posizionamento preliminare in un'area ben irrorata di sangue per la maturazione e la formazione del microcircolo all'interno della struttura (prefabbricazione).

Le matrici scompaiono completamente dopo un po' di tempo dall'impianto nell'organismo ospite (a seconda della velocità di crescita dei tessuti) e nel sito del difetto rimane solo nuovo tessuto. È anche possibile introdurre una matrice con nuovo tessuto già parzialmente formato ("biocomposito"). Naturalmente, dopo l'impianto, la struttura di ingegneria tissutale deve conservare la sua struttura e le sue funzioni per un periodo di tempo sufficiente a ripristinare il tessuto normalmente funzionante nel sito del difetto e integrarsi con i tessuti circostanti. Ma, purtroppo, non sono ancora state create matrici ideali che soddisfino tutte le condizioni necessarie.

Le promettenti tecnologie di ingegneria dei tessuti hanno aperto la possibilità di creare in laboratorio tessuti e organi viventi, ma la scienza è ancora impotente prima della creazione di organi complessi. Tuttavia, relativamente di recente, gli scienziati guidati dal Dr. Gunter Tovar della Fraunhofer Society in Germania hanno fatto un enorme passo avanti nel campo dell'ingegneria dei tessuti: hanno sviluppato una tecnologia per la creazione di vasi sanguigni. Ma sembrava impossibile creare artificialmente strutture capillari, poiché devono essere flessibili, elastiche, di forma piccola e allo stesso tempo interagire con i tessuti naturali. Stranamente, ma le tecnologie di produzione sono venute in soccorso: un metodo di prototipazione rapida (in altre parole, la stampa 3D). Resta inteso che un modello tridimensionale complesso (nel nostro caso, un vaso sanguigno) viene stampato su una stampante a getto d'inchiostro tridimensionale utilizzando uno speciale "inchiostro".

La stampante applica il materiale a strati e in alcuni punti gli strati vengono uniti chimicamente. Tuttavia, notiamo che per i capillari più piccoli, le stampanti tridimensionali non sono ancora sufficientemente accurate. A questo proposito è stato applicato il metodo di polimerizzazione multifotonica utilizzato nell'industria dei polimeri. Brevi impulsi laser intensi che elaborano il materiale eccitano le molecole così fortemente che interagiscono tra loro, collegandosi in lunghe catene. Così, il materiale polimerizza e diventa duro, ma elastico, come i materiali naturali. Queste reazioni sono così controllabili che possono essere utilizzate per creare le strutture più piccole secondo un "disegno" tridimensionale.

E affinché i vasi sanguigni creati possano agganciarsi alle cellule del corpo, durante la fabbricazione dei vasi vengono integrate strutture biologiche modificate (ad esempio eparina) e proteine ​​​​di "ancoraggio". Nella fase successiva, le cellule endoteliali (un singolo strato di cellule piatte che rivestono la superficie interna dei vasi sanguigni) vengono fissate nel sistema dei "tubuli" creati in modo che i componenti del sangue non si attacchino alle pareti del sistema vascolare, ma siano liberamente trasportato attraverso di essa.

Tuttavia, ci vorrà del tempo prima che gli organi cresciuti in laboratorio con i propri vasi sanguigni possano essere effettivamente impiantati.

Nell'autunno del 2008, il direttore della clinica dell'Università di Barcellona (Spagna) e della Facoltà di Medicina di Hannover (Germania), il professor Paolo Macchiarini (Paolo Macchiarini) ha eseguito con successo il primo trapianto di un equivalente bioingegnerizzato della trachea in un paziente con stenosi del bronco principale sinistro per 3 cm.

Come matrice del futuro trapianto è stato preso un segmento di trachea da cadavere lungo 7 cm Per ottenere una matrice naturale con proprietà superiori a tutto ciò che può essere ricavato da tubi polimerici, la trachea è stata pulita dal tessuto connettivo circostante, cellule donatrici, e antigeni di istocompatibilità. La purificazione consisteva in 25 cicli di devitalizzazione utilizzando sodio desossicolato al 4% e desossiribonucleasi I (il processo ha richiesto 6 settimane). Dopo ogni ciclo di devitalizzazione, è stato eseguito un esame istologico del tessuto per determinare il numero di cellule nucleate rimanenti, nonché uno studio immunoistochimico per la presenza di antigeni di istocompatibilità HLA-ABC, HLA-DR, HLA-DP e HLA- DQ nel tessuto. Utilizzando un bioreattore di loro progettazione, gli scienziati hanno applicato uniformemente una sospensione cellulare sulla superficie di un pezzo di trachea che ruota lentamente con una siringa. Quindi l'innesto, semiimmerso nel mezzo di coltura, ha ruotato attorno al proprio asse in modo da contattare alternativamente le cellule con il mezzo e l'aria.

In futuro, come dicono gli scrittori di fantascienza, per curare una malattia basta andare in una farmacia che sembra un magazzino di pezzi di ricambio. E scegli lo scaffale giusto. Qui ci sono occhi di riserva, ecco un fegato, reni e in questa scatola ci sono braccia e gambe di diverse dimensioni ... I visionari di Hollywood non rimangono indietro rispetto agli scrittori, aggiungono anche benzina al fuoco di questo argomento: nuove braccia in crescita spettacolare e le gambe dei supereroi sono impressionanti. Ma nella vita, ovviamente, tutto è molto più prosaico che sullo schermo. Sebbene ci siano già alcuni prerequisiti affinché una persona possa "provare" organi bioartificiali nel prossimo futuro.

L'ingegneria dei tessuti, una branca in rapida crescita della medicina e della biologia, dà letteralmente vita alla fantascienza. Specialisti in questo campo, studiando la struttura dei tessuti viventi, stanno cercando di farli crescere in laboratorio per poi utilizzare il tessuto creato artificialmente per il trapianto. Tale "produzione" aprirà prospettive molto serie. Basta pensarci: una persona malata (ferita, paralizzata) potrà guarire rapidamente, riceverà una fonte inesauribile per la sostituzione degli organi danneggiati. Dopotutto, il ritmo moderno dell'urbanizzazione e lo sviluppo dei mezzi tecnici, stranamente, espongono gli abitanti della Terra a pericoli e malattie sempre maggiori, tutti i tipi di lesioni in vari disastri, quindi il compito degli ingegneri dei tessuti è davvero ampio: far crescere ossa, cartilagini e organi per sostituire quelli danneggiati.

Come tutte le branche della medicina, l'ingegneria dei tessuti ha una propria terminologia e approcci metodologici. Qualsiasi procedura di "ingegneria dei tessuti" inizia con l'ottenimento del materiale cellulare iniziale, il primo passo. Di norma, per questo, viene eseguita una biopsia, ovvero le cellule del tipo desiderato vengono prelevate da un paziente che necessita di un tessuto bioartificiale. Tuttavia, non tutte le cellule possono moltiplicarsi abbastanza intensamente in un ambiente artificiale. Pertanto, un altro approccio consiste nel selezionare cellule progenitrici indifferenziate, le cosiddette cellule staminali, che matureranno e si specializzeranno già in laboratorio. Questo determina il rapporto dell'ingegneria dei tessuti con la ricerca sulle cellule staminali. Tuttavia, queste due aree della ricerca biomedica non dovrebbero essere identificate: gli ingegneri dei tessuti stavano lavorando ai loro progetti molto prima che il termine "cellule staminali" diventasse familiare al grande pubblico.

Il secondo passo è la coltivazione delle cellule risultanti in condizioni di laboratorio (in vitro) al fine di aumentarne il numero molte volte. In questo caso, nel caso di utilizzo di cellule (staminali) indifferenziate, vengono collocate in un ambiente speciale che induce la loro trasformazione in cellule di un tipo rigorosamente specificato. Per capire quanto sia difficile, basta dire che nel corpo ci sono più di 200 varietà di cellule. Per ottenere il risultato desiderato, la coltivazione viene effettuata in appositi bioreattori. Non solo simulano la composizione della miscela di gas e l'insieme di sostanze nel mezzo nutritivo, ma mantengono anche i parametri fisici necessari per lo sviluppo di cellule e tessuti: illuminazione, flusso o pulsazione di un liquido, gravità, ecc.

Ma per far crescere il tessuto vivente, non basta avere abbastanza cellule giuste, è necessario che siano adeguatamente organizzate nello spazio. Pertanto, il passo successivo è la formazione di un'impalcatura tridimensionale, un supporto per il tessuto desiderato, sul quale potrebbero svilupparsi normalmente ed eseguire le loro funzioni dopo il trapianto nel corpo.

Infine, come risultato di tutte queste complesse manipolazioni, appare un equivalente di tessuto bioartificiale pronto - un innesto, e poi arriva l'ultimo stadio - il suo impianto nel corpo del paziente (innesto). L'utilizzo delle cellule del paziente per realizzare un innesto è un principio fondamentale dell'ingegneria tissutale. Prendendo le autocellule, i medici evitano problemi immunologici: rigetto del materiale trapiantato, a causa del quale le possibilità di un esito positivo dell'operazione aumentano notevolmente.

Alle origini dell'ingegneria dei tessuti
Ad eccezione della creazione di Eva dalla costola di Adamo, la coltivazione di cellule e tessuti iniziò alla fine del XIX secolo. Nel 1885, l'embriologo tedesco Wilhelm Roux riuscì a mantenere la vitalità di un frammento di un embrione di pollo in condizioni artificiali per diversi giorni. Tuttavia, il vero successo nella coltivazione dei tessuti al di fuori del corpo fu ottenuto solo dopo gli esperimenti di R. Harrison nel 1907: propose di utilizzare sangue o linfa coagulati come mezzo per lo sviluppo dei tessuti nella vetreria di laboratorio - in vitro.

Questo metodo arrivò in Russia nel 1913, quando un dipendente dell'Accademia medica militare imperiale P.P. Avrorov e il suo collega A.D. Timofeevsky è stato in grado di far crescere i globuli leucemici per qualche tempo. E un anno dopo, il grande istologo russo Alexander Alexandrovich Maksimov, professore presso la stessa accademia, si interessò a questo problema, che non solo confermò la teoria unitaria dell'ematopoiesi con questo metodo, cioè dimostrò che tutte le cellule del sangue si sviluppano da un precursore comune - una cellula staminale, ma ha anche gettato le basi per ulteriori sviluppi nel campo della coltura dei tessuti al di fuori del corpo. Sulla base dei suoi risultati, sono stati condotti centinaia di studi sulla coltivazione di tessuto connettivo e globuli, la creazione di equivalenti di ingegneria tissutale del tessuto osseo. La sua priorità in questi studi è riconosciuta in tutto il mondo.

La vera era dell'ingegneria dei tessuti, e in effetti la sua separazione come branca indipendente della medicina, iniziò con l'audace lavoro di C. Vacanti sulla combinazione di cellule viventi e vettori artificiali in laboratorio, che intraprese negli anni '80 del secolo scorso . Oggi, forse, non è rimasto un solo organo umano, del cui sviluppo e rigenerazione gli ingegneri dei tessuti non cercherebbero di “addomesticare”.

Base in tessuto

La scelta del vettore per lo sviluppo del tessuto artificiale è uno dei problemi più gravi dell'ingegneria tissutale. Il suo materiale deve essere sicuro sia per le cellule che vivranno su di esso, sia per l'organismo nel suo insieme, dove verrà poi trapiantato il tessuto bioartificiale. Idealmente, il materiale viene completamente sostituito dal tessuto corporeo nel tempo. Allo stesso tempo, deve avere un'organizzazione tridimensionale unica caratteristica di questo tipo di tessuto, che riprodurrebbe la struttura della matrice extracellulare del tessuto vivente. Ad esempio, per ricreare organi tubolari cavi, vengono utilizzate parti di organi simili (intestino, trachea, ureteri e vescica) prive di cellule vitali ottenute da animali di grandi dimensioni. Ma altri materiali, i più diversi e talvolta del tutto inaspettati, possono essere usati come tali supporti.

Il modo più semplice (se, ovviamente, è il caso di parlare di semplicità qui) era creare ossa bioartificiali. Le cellule staminali stromali del midollo osseo, che possono svilupparsi in cellule di tessuti diversi, così come le cellule osteogeniche (capaci di formare tessuto osseo) di origine diversa, sono utilizzate come fonti di cellule per le ossa future. Quando si sceglie un vettore per loro, viene presentato un vero campo di fantasia. Si utilizzano collagene di vario tipo, materiali vetro-ceramici, perfino coralli. Una buona base sono le ossa senza vita (cadaveriche) di esseri umani e animali, nonché complesse strutture sintetiche che si dissolvono nel corpo per un certo periodo di tempo. In quest'ultimo caso, il problema principale è la sincronizzazione del processo di osteogenesi, ovvero la formazione di tessuto osseo nell'area della sua carenza e la dissoluzione della struttura artificiale introdotta. Ad oggi, diverse migliaia di interventi chirurgici sono stati eseguiti in tutto il mondo utilizzando equivalenti di tessuto osseo ingegnerizzati.

La ricostruzione cellulare e tissutale della cartilagine articolare è molto richiesta nel mercato dei servizi medici. La cartilagine è un tessuto speciale che non si rigenera in condizioni naturali. Secondo alcune stime di esperti, il mercato di questi prodotti nei soli Stati Uniti potrebbe essere di centinaia di milioni di dollari l'anno.

Gli ingegneri dei tessuti non hanno ignorato la pelle, l'organo più grande del corpo umano. L'area totale della pelle di un maschio adulto raggiunge 2,5 m 2 con un peso di 15-20 kg (compreso il tessuto sottocutaneo). La pelle è piuttosto complessa e svolge una serie di funzioni vitali, motivo per cui, con i suoi danni estesi, oltre a disturbi locali, si possono osservare anche manifestazioni patologiche generali, a volte mettendo a rischio la vita del paziente. Con gravi ustioni e ulcere non cicatrizzanti a lungo termine, la pelle non è in grado di ripristinare la propria integrità. Gli specialisti vengono in soccorso, che hanno già non solo prototipi di laboratorio, ma anche campioni commerciali di pelle bioartificiale. Ad oggi, migliaia di persone nel mondo hanno già utilizzato i servizi di aziende che offrono preparazioni tissutali simili sul mercato dei servizi medici.

Ma i risultati più fantastici sono stati raggiunti dagli ingegneri dei tessuti nello studio dei bambini. Un organismo in crescita richiede particolari requisiti alla creazione di strutture di ingegneria tessutale: dopotutto, devono crescere con il corpo del bambino. Quindi, di recente, gli scienziati tedeschi hanno creato una valvola cardiaca con ingegneria tissutale. La valvola cardiaca di un maiale adulto è stata presa come base per le cellule della parete vascolare (endotelio). E i globuli del cordone ombelicale del bambino sono diventati la fonte di materiale cellulare. A proposito, fino a poco tempo fa, il sangue del cordone ombelicale veniva scartato durante il parto insieme alla placenta, ma ora sempre più prove suggeriscono che la conservazione di queste cellule negli hemabank in alcuni casi può dare la possibilità di salvare la vita di una persona.

mascella artificiale
Non molto tempo fa, un gruppo di specialisti tedeschi della città di Kiel, guidati da Patrick Warnke, ha riportato la riuscita ricostruzione della mascella inferiore, che è stata quasi completamente rimossa a causa di una lesione tumorale. Inizialmente, i medici hanno dovuto creare una struttura della mascella in titanio che fosse riempita con matrice ossea, midollo osseo del paziente e fattori di crescita ossea. Tuttavia, un frammento così grande non potrebbe essere posizionato immediatamente nell'area del danno, perché le cellule del midollo osseo, comprese le cellule staminali, private della propria rete vascolare, non solo non si differenziano in osteoblasti (cellule che producono tessuto osseo), ma morirebbe anche per fame di ossigeno e mancanza di nutrienti. Pertanto, il design risultante è stato introdotto nei muscoli della schiena. Ciò è stato fatto in modo che nello spessore dei muscoli intensamente riforniti di sangue, i vasi stessi crescessero nello spessore della "protesi biologica". Quando ciò è accaduto, la struttura è stata rimossa e trapiantata nella sua sede, avendo precedentemente collegato i vasi della mascella inferiore e la bioprotesi con mezzi microchirurgici.

Ogni anno vengono effettuate sempre più operazioni simili o simili. Permettono non solo di ripristinare la funzione dell'organo perduto, ma anche di fornire un effetto cosmetico estetico.

Vasi - tessuti!

Uno dei fattori che limitano l'immaginazione degli ingegneri dei tessuti è l'impossibilità di creare strutture relativamente grandi a causa della mancanza di un adeguato apporto sanguigno e innervazione (connessione con il sistema nervoso centrale). Le strutture di ingegneria tissutale rimosse dall'ambiente artificiale sono a rischio di morte a causa del fatto che non hanno vasi sanguigni e nel corpo del paziente non saranno adeguatamente rifornite di nutrienti. In parte, questo problema può essere risolto con il metodo di prefabbricazione, un posizionamento temporaneo di una struttura di ingegneria tessutale creata in laboratorio sotto la pelle o tra i muscoli. Dopo un po ', quando i vasi crescono attraverso l'intero volume dell'innesto, viene isolato con la conservazione dei vasi e trasferito nell'area del danno. Tuttavia, questo approccio è associato a causare ulteriori traumi chirurgici al paziente, quindi gli ingegneri dei tessuti hanno trovato una soluzione ingegnosa: tessuti bioartificiali - vasi bioartificiali! I primi lavori sono stati eseguiti con microtubuli polimerici rivestiti dall'interno con endotelio. Tali tubi penetrano nell'intero spessore del tessuto creato in laboratorio. A poco a poco, il polimero si dissolve e non interferisce con lo scambio di gas e sostanze nutritive tra sangue e cellule.

Oggi, quasi nulla limita le capacità degli ingegneri dei tessuti. Non solo sono stati creati prototipi di laboratorio, ma nella pratica clinica sono stati applicati anche equivalenti di ingegneria tissutale di capezzoli della ghiandola mammaria, vescica bioartificiale e ureteri. Vengono determinati approcci metodici alla creazione di polmoni, fegato, trachea, sezioni intestinali e persino corpi cavernosi del pene.

La costruzione degli organi parenchimali - il fegato, i polmoni e altri - è di particolare difficoltà, poiché tutte le cellule in essi sono in una relazione delicata e devono occupare rigorosamente il loro posto nello spazio tridimensionale. Risultati positivi inaspettati qui sono apparsi quando le cellule sono state coltivate in sospensione, senza attaccamento alla superficie. Un team di ricercatori guidato dal professor Colin McGuckin dell'Università di Newcastle, nel Regno Unito, ha utilizzato un bioreattore rotante progettato 10 anni fa appositamente per la Stazione Spaziale Internazionale. Ti permette di simulare le condizioni di assenza di gravità e microgravità sulla Terra. Si è scoperto che quando vengono coltivate cellule staminali del sangue del cordone ombelicale, è possibile ottenere non solo la loro trasformazione in cellule epatiche funzionalmente attive, ma anche l'organogenesi: la formazione di un analogo del tessuto epatico con le sue funzioni intrinseche.

Non meno sorprendenti risultati sono stati ottenuti da esperimenti sulla saturazione di colture cellulari con nanoparticelle metalliche per mezzo di liposomi, che penetrano liberamente nella membrana cellulare. La presenza di tali strutture all'interno della cellula non ha praticamente alcun effetto su di essa. Ma gli scienziati hanno l'opportunità di controllare la crescita delle cellule agendo su di esse con campi magnetici di diverse direzioni. In questo modo è stato possibile creare non solo analoghi delle strutture del fegato, ma anche strutture così complesse come gli elementi della retina. Lo sviluppo dell'occhio di ingegneria tissutale è ancora agli inizi, ma è già stato possibile ottenere equivalenti delle sue singole parti: la cornea, la sclera e l'iride. È vero, il problema dell'integrazione delle parti ottenute non è stato ancora risolto. Tuttavia, nella letteratura scientifica si possono trovare informazioni sul trapianto di cellule fotosensibili - coni e bastoncelli - nel "Santo Sanctorum" dell'occhio - la retina, tuttavia, finora solo in condizioni sperimentali.

Forse, per sentirsi finalmente onnipotenti, gli ingegneri dei tessuti devono solo imparare a ricreare derivati ​​complessi dei primordi nervosi in laboratorio.

Nei principali laboratori occidentali e domestici, gli specialisti stanno cercando di riprodurre lo sviluppo di un altro organo estremamente difficile da ripristinare: un dente. Le difficoltà con la sua creazione sono causate dal fatto che i componenti del dente si sviluppano da varie fonti: alcuni dai derivati ​​del sistema nervoso - la cresta neurale e alcuni dal rivestimento epiteliale della cavità orale. Non è stato possibile combinare queste fonti in vitro per molto tempo. Ad oggi, solo le prime fasi dello sviluppo del dente sono state parzialmente riprodotte in condizioni artificiali. Di norma, non si può fare a meno dell'aiuto del corpo e, dopo la fase del lavoro di laboratorio, il prototipo del futuro dente deve ancora essere piantato nel suo ambiente naturale - l'alveolo della mascella (presa del dente) - per il completa "maturazione" della struttura di ingegneria tissutale.

Di conseguenza, possiamo dire che gli ultimi vent'anni sono stati segnati dall'emergere di una nuova branca della biologia e della medicina: l'ingegneria dei tessuti. Gli specialisti che lavorano in questo campo hanno qualità davvero uniche. Devono essere ugualmente medici e biologi e avere anche le capacità di un chirurgo. Questi non sono preparati da nessuna parte ora, almeno nel nostro paese. Di norma, gli ingegneri dei tessuti sono appassionati che si sono posti l'obiettivo di trasformare una fiaba dall'infanzia in realtà. Finora, il problema umano universale che stanno affrontando è lungi dall'essere risolto. Ogni anno, centinaia di migliaia di persone in tutto il mondo muoiono a causa di malattie croniche senza attendere il trapianto salvavita di un organo donatore. Oggi, a quanto pare, non ci sono scienziati che negherebbero che l'ingegneria dei tessuti è la medicina del futuro, i cui successi sono di enorme importanza per tutta l'umanità. Ma allo stesso tempo, è difficile trovare uno specialista del genere che chiami incondizionatamente tutti a essere trattati con metodi di ingegneria tissutale: ci sono troppe domande e problemi irrisolti che devono affrontare questo promettente campo di conoscenza.

Siti correlati
www.celltranspl.ru — Sito web "Tecnologie cellulari in medicina". Qui si trova anche la rivista elettronica "Trapianto cellulare e ingegneria dei tessuti".

www.gemabank.ru — Il sito web della banca di cellule staminali Gemabank è dedicato alla conservazione e all'uso del sangue del cordone ombelicale.

organprint.missouri.edu — Sito di un gruppo scientifico dell'Università del Missouri, USA, dedicato agli organi artificiali stampati su una stampante specializzata.

L'ingegneria dei tessuti (TI), come disciplina, inizia la sua storia nella prima metà del XX secolo. La base per la sua fondazione sono stati gli sviluppi teorici e pratici sulla creazione di organi e tessuti "artificiali" e il lavoro sul trapianto di cellule e componenti biologicamente attivi su portatori per ripristinare i danni in vari tessuti del corpo (Langer R., Vacanti JP , 1993).

Attualmente, l'ingegneria dei tessuti è una delle branche più giovani della medicina, basata sui principi della biologia molecolare e dell'ingegneria genetica. L'approccio interdisciplinare utilizzato in esso è mirato principalmente alla creazione di nuovi materiali biocompositi per ripristinare le funzioni perdute di singoli tessuti o organi nel loro insieme (Spector M., 1999). I principi fondamentali di questo approccio risiedono nello sviluppo e nell'uso di vettori realizzati con materiali biodegradabili per l'impianto in un organo o tessuto danneggiato, che vengono utilizzati in combinazione con cellule donatrici e/o sostanze bioattive. Ad esempio, nel trattamento di un processo della ferita, questi possono essere rivestimenti di collagene con allofibroblasti e, in chirurgia vascolare, vasi artificiali con anticoagulanti (Vacanti SA et.al., 1993). Inoltre, uno dei requisiti seri per tali materiali di supporto è che devono fornire un supporto affidabile, ovvero una funzione di supporto e/o strutturazione nell'area danneggiata del tessuto o dell'organo.

Pertanto, uno dei compiti principali dell'ingegneria tissutale nel trattamento delle patologie ossee è la creazione di biocompositi artificiali costituiti da allo- e/o xenomateriali in combinazione con molecole bioattive (proteine ​​morfogenetiche ossee, fattori di crescita, ecc.) e in grado di indurre osteogenesi. Allo stesso tempo, tali biomateriali devono avere una serie di proprietà ossee necessarie (Yannas I.V. et.al., 1984; Reddi A.H.et.al., 1987; Reddi A.H., 1998).

In primo luogo, devono soddisfare e mantenere (impalcatura) la portata del difetto.

In secondo luogo, avere osteoinduttività, cioè indurre attivamente gli osteoblasti e, possibilmente, altre cellule mesenchimali a formare osso.

E, in terzo luogo, avere buoni indicatori di biointegrazione e biocompatibilità, cioè essere degradabili e non provocare reazioni infiammatorie e immunitarie nel ricevente. Quest'ultima qualità si ottiene solitamente nel biomateriale solo riducendo le sue caratteristiche antigeniche.

La combinazione di tutte queste proprietà consente a tali biomateriali, parallelamente alla funzione meccanica di supporto, di fornire la biointegrazione: la crescita interna di cellule e vasi sanguigni nelle strutture dell'impianto, seguita dalla formazione di tessuto osseo.

È noto che l'effetto di supporto di qualsiasi biomateriale è fornito, di regola, dalle sue caratteristiche strutturali. Per i biomateriali, questo indicatore è solitamente associato all'architettura del tessuto nativo da cui è stato ottenuto. Per l'osso, i parametri principali della sua resistenza strutturale sono le caratteristiche duro-elastiche della matrice ossea e la dimensione dei pori in essa contenuti (Marra P. G. 1998; Thomson R. C. et. al., 1998).

I biomateriali più comuni con una funzione di supporto distinta includono l'idrossiapatite artificiale e naturale (HA), la bioceramica, l'acido poliglicolico e le proteine ​​del collagene (Friess W., 1998).

Attualmente, molte forme diverse di idrossiapatite vengono utilizzate per sostituire i difetti ossei in odontoiatria chirurgica, ortopedia e traumatologia, che differiscono per la forma e la dimensione delle particelle. Si ritiene che l'idrossiapatite ottenuta artificialmente sia praticamente identica nella composizione chimica e nei parametri cristallografici all'idrossiapatite ossea nativa (Parsons J., 1988). Molti autori, sia sperimentalmente che clinicamente, dimostrano che l'uso dell'idrossiapatite presenta vantaggi significativi rispetto ad altri materiali implantari. Pertanto, le sue caratteristiche positive includono indicatori come facilità di sterilizzazione, lunga durata, alto livello di biocompatibilità e riassorbimento estremamente lento nel corpo (Volozhin A.I. et al., 1993). L'idrossiapatite è bioinerte e altamente compatibile con l'osso (Jarcho M. et.al., 1977) come mostrato in studi sperimentali. Nel processo di sostituzione di un difetto osseo in presenza di HA, sotto l'influenza di fluidi biologici ed enzimi tissutali, l'idrossiapatite può essere parzialmente o completamente riassorbita (Klein A.A., 1983). L'effetto positivo dell'idrossiapatite dopo il suo impianto nella cavità ossea è apparentemente spiegato non solo dalle proprietà osteoconduttive del materiale, ma anche dalla sua capacità di assorbire le proteine ​​che inducono l'osteogenesi sulla sua superficie (Ripamonti U., Reddi A.H., 1992).

Attualmente, la maggior parte dei biomateriali per il ripristino dei difetti ossei sono ottenuti da tessuti cartilaginei e/o ossei di esseri umani o di vari animali. Spesso, per la produzione di materiali compositi, vengono utilizzati anche componenti di altri tipi di tessuto connettivo: pelle, tendini, meningi, ecc. (Voupe PJ, 1979; Yannas IV et al., 1982; Chvapel M., 1982; Goldberg VM et al., 1991; Damien CJ, Parsons JR, 1991).

Il collagene è il più noto dei moderni biomateriali. Il suo diffuso utilizzo nella medicina pratica è associato allo sviluppo della chirurgia ricostruttiva e alla ricerca di nuovi materiali che svolgano funzioni di scaffold e plastica nella rigenerazione dei tessuti. I principali vantaggi del collagene come biomateriale plastico includono la sua bassa tossicità e antigenicità, l'elevata resistenza meccanica e la resistenza alle protesi tissutali (Istranov L.P., 1976). Le fonti della produzione di collagene nella produzione di prodotti per la chirurgia plastica sono i tessuti ricchi di questa proteina: pelle, tendini, pericardio e ossa. Una soluzione di collagene dermico prodotta da Collagen Corp. è ampiamente utilizzata nella pratica medica. (Palo-Alto USA), con i nomi "Zyderm" e "Zyplast". Sulla base di questo collagene sono stati sviluppati vari prodotti medici, come impianti, coperture per ferite, fili chirurgici per suturare le superfici delle ferite, ecc.

Negli anni '70 del secolo scorso, i dati sono stati ottenuti per la prima volta sull'effetto degli innesti di collagene sulla riparazione del tessuto osseo. Allo stesso tempo, si è riscontrato che gli impianti di collagene favoriscono la proliferazione dei fibroblasti, la vascolarizzazione dei tessuti vicini e, a quanto pare, inducono la formazione di nuovo tessuto osseo con la sua successiva ristrutturazione (Reddi A.H., 1985). Come materiale rapidamente biodegradabile, il collagene è stato utilizzato anche sotto forma di gel per il ripristino dei difetti ossei (De Balso A.M., 1976). I risultati ottenuti da questo autore hanno anche suggerito che i preparati a base di collagene sono in grado di stimolare la rigenerazione del tessuto osseo.

Allo stesso tempo, per sostituire i difetti ossei, sono stati avviati anche studi sull'uso di materiali biocompositi contenenti sia collagene che idrossiapatite. Quindi, per la chirurgia maxillo-facciale e l'odontoiatria chirurgica, sono state sviluppate composizioni "Alveloform" e "Bigraft" contenenti collagene cutaneo fibrillare purificato e particelle di HA (Collagen Corp., Palo Alto, USA). Questi biomateriali sono stati utilizzati per ripristinare la cresta alveolare nel trattamento chirurgico di pazienti con parodontite (Krekel G. 1981, Lemons M.M. 1984, Miller E. 1992). Studi istologici e ultrastrutturali hanno dimostrato che la composizione - collagene e HA ha un effetto positivo sulla rigenerazione dell'osso della cresta, ma allo stesso tempo questo tipo di biomateriali svolgono principalmente funzioni scheletriche e conduttive, ovvero esibiscono le loro proprietà osteoconduttive (Mehlisch DR, 1989). Successivamente, molti altri ricercatori sono giunti a conclusioni simili e la maggior parte degli scienziati attualmente aderisce a questo punto di vista (Glimcher M.J., 1987; Friess W., 1992; VaccantiC.A. et.al., 1993).

Tuttavia, secondo un altro gruppo di ricercatori, i materiali biocompositi contenenti collagene dermico "Ziderm" e idrossiapatite sintetica hanno determinate potenze osteogeniche. Ad esempio, Katthagen et al. (1984), studiando l'effetto del materiale Collapat contenente collagene cutaneo di tipo 1 e particelle di idrossiapatite altamente disperse sul ripristino dei difetti ossei del femore nei conigli, hanno scoperto che la rigenerazione del tessuto osseo negli animali da esperimento procedeva 5 volte più velocemente rispetto al controllo. Questi risultati sperimentali hanno costituito la base per l'ulteriore applicazione del materiale "Kollapat" nella pratica clinica.

È noto che i più idonei al trapianto e alla successiva biointegrazione sono senza dubbio gli autoinnesti, che vengono preparati dai tessuti stessi del paziente e questo elimina completamente le principali complicanze immunologiche e più infettive durante il successivo trapianto (Enneking WF et.al., 1980; Summers BN, Eisenstein SM, 1989; Reddi AH, 1985; Goldberg VM et.al., 1991). Tuttavia, tali materiali devono essere preparati immediatamente prima del trapianto, altrimenti la clinica deve disporre di una banca ossea per conservare tale biomateriale, che in realtà è disponibile solo per istituzioni mediche molto grandi a causa degli alti costi di preparazione e conservazione di questi materiali. Inoltre, le possibilità di ottenere quantità significative di automateriale sono molto limitate e quando viene prelevato, di norma, il donatore viene sottoposto a seri interventi chirurgici. Tutto ciò limita notevolmente l'uso diffuso degli autoinnesti (Bos G.D. et.al., 1983; Horowitz M.C. 1991). Pertanto, nel campo del trattamento delle patologie ossee, l'ingegneria tissutale deve affrontare un vero compito di creare materiali biocompositi, il cui utilizzo fornirà una soluzione a molti problemi sia nel trapianto cellulare che nella stimolazione della formazione ossea nei luoghi del suo danno, e nella riduzione dei costi di manodopera e finanziari quando si elimina il danno osseo in pazienti di vario profilo.

Attualmente, grazie agli sforzi di numerosi ricercatori che lavorano nel campo dell'ingegneria tissutale, sono stati sviluppati e implementati materiali biocompositi, che includono sia cellule native del midollo osseo che cellule progenitrici osteogeniche stromali cresciute in colture di midollo osseo monostrato (Gupta D. , 1982 ; Bolder S., 1998). Questi autori hanno scoperto che per indurre con successo l'osteogenesi nel sito del trapianto, è necessario creare un'elevata densità iniziale di precursori stromali - circa 108 cellule. Allo stesso tempo, una semplice introduzione di una sospensione di tali cellule non ha dato buoni risultati. A questo proposito, è sorto un serio problema nella ricerca di vettori per il trapianto di cellule nel corpo del ricevente.

Per la prima volta come tale vettore, Gupta D. et. al. (1982) hanno proposto l'uso di xenobone, precedentemente sgrassato e decalcificato. Inoltre, è stato riscontrato che, a seconda del grado di purificazione dello xenoosso, la percentuale di attaccamento degli elementi cellulari al vettore aumenta e le cellule si legano molto meglio con la sua parte organica rispetto all'idrossiapatite ossea naturale (Hofman S., 1999).

Tra i materiali sintetici, la ceramica è attualmente ampiamente utilizzata come veicolo per il trapianto cellulare (Burder S. 1998), che è un'idrossiapatite artificiale ottenuta trattando il fosfato tricalcico con alte temperature.

I chirurghi dentali domestici hanno utilizzato la dura madre come veicolo adatto per il trapianto di fibroblasti allogenici e hanno notato che l'uso di questo trapianto con allofibroblasti nel trattamento della parodontite cronica generalizzata moderata e grave presenta numerosi vantaggi rispetto ad altri metodi di trattamento (Dmitrieva LA, 2001) .

In precedenza, in una serie di lavori sulla costruzione della "pelle artificiale", è stato riscontrato che il successo del ripristino di questo tessuto dopo il suo danno dipende dallo stato del microambiente cellulare nell'area danneggiata. Il microambiente stesso è invece creato da una combinazione ottimale dei principali componenti della matrice extracellulare, come collageni, glicoproteine ​​e proteoglicani (Yannas I. et.al., 1980, 1984; Pruitt B., Levine N. , 1984; Madden M. et.al., 1994).

Il collagene è una tipica proteina fibrillare. La sua singola molecola, il tropocollagene, è costituita da tre catene polipeptidiche elicoidali, chiamate catene a, che sono intrecciate insieme in un'elica comune e stabilizzate da legami idrogeno. Ciascuna catena A contiene in media circa 1000 residui di amminoacidi. Esistono due combinazioni principali di catene nel tessuto osseo: due λ1 e un collagene λ2 o di tipo 1 e tre collagene λ-1 o di tipo III. Oltre ai tipi di cui sopra, altre isoforme di collagene sono state trovate in quantità minori nell'osso (Serov V.P., Shekhter A.B., 1981).

I proteoglicani sono composti complessi di polisaccaridi con proteine. I polisaccaridi che compongono i proteoglicani sono polimeri lineari formati da diverse subunità disaccaridiche formate da acidi uronici (glucuronico, galatturonico e iduronico), N-acetilesosamine (IM-acetilglucosamina, N-acetil-galattosamina) e saccaridi neutri (galattosio, mannosio e xilosio). . Queste catene di polisaccaridi sono chiamate glicosaminoglicani. Almeno uno degli zuccheri nel disaccaride ha un gruppo carbossilico o solfato caricato negativamente (Stacey M., Barker C, 1965). Il tessuto osseo maturo contiene principalmente glicosaminoglicani solfati (sGAG), come condroitina-4 e condroitina-6 solfati, dermatan solfato e cheratan solfato. La biosintesi dei proteoglicani nel tessuto osseo è svolta principalmente da osteoblasti attivati ​​e, in piccola misura, da osteociti maturi (Juliano R., Haskell S., 1993; Wendel M., Sommarin Y., 1998).

Il significato funzionale dei glicosaminoglicani solfati nel tessuto connettivo (TC) è grande ed è associato principalmente alla formazione di fibre di collagene ed elastina. I glicosaminoglicani solfati sono coinvolti in quasi tutti i processi del metabolismo del tessuto connettivo e possono avere un effetto modulante sulla differenziazione dei suoi elementi cellulari (Panasyuk A.F. et al., 2000). Molti parametri della rigenerazione ST dipendono dalle loro caratteristiche qualitative e quantitative nei tessuti, nonché dalle specificità dell'interazione con altri componenti della matrice extracellulare.

La rigenerazione e il ripristino del tessuto osseo è un complesso di processi sequenziali, che include sia l'attivazione delle cellule osteogeniche (reclutamento, proliferazione e differenziazione), sia la formazione diretta di una matrice specializzata: la sua mineralizzazione e successivo rimodellamento del tessuto osseo. Allo stesso tempo, queste cellule sono sempre sotto il controllo e l'influenza di una serie di fattori biologici e meccanici.

Secondo i concetti moderni, l'ingegneria tissutale (TI) del tessuto osseo si basa su tre principi fondamentali che garantiscono la sostituzione di successo di questo tessuto.

In primo luogo, il principio più importante nella creazione di biomateriali e strutture per l'impianto è la riproduzione delle caratteristiche principali della matrice ossea naturale, perché è la struttura unica del tessuto osseo che ha l'effetto più pronunciato sui processi di rigenerazione. È noto che queste caratteristiche della matrice dipendono dalla sua struttura tridimensionale e composizione chimica, nonché dalle sue proprietà meccaniche e capacità di influenzare le forme cellulari del tessuto connettivo (TC).

L'architettura della matrice include parametri quali il rapporto superficie/volume, la presenza di un sistema di pori e, soprattutto, le sue proprietà funzionali e meccaniche. A causa di questi indicatori, la matrice, a quanto pare, può regolare la crescita interna vascolare, fornire stimoli chemiotattici per le cellule endogene, modulare l'attaccamento cellulare, stimolare la divisione, la differenziazione e la successiva mineralizzazione. Si ritiene che la struttura tridimensionale della costruzione della matrice possa influenzare non solo i processi di induzione, ma anche la velocità di rigenerazione stessa.

Pertanto, un biomateriale o un costrutto di ingegneria tissutale deve avere proprietà che, in condizioni in vivo, siano in grado di fornire sia le proprietà conduttive che quelle induttive della matrice naturale. I primi includono indicatori come la capacità di riempire e mantenere il volume, l'integrazione meccanica, fornendo permeabilità alle cellule e ai vasi sanguigni. Il secondo - fornisce un effetto diretto o indiretto sulle forme cellulari, stimolandole a formare cartilagine e / o tessuti ossei.

Il prossimo importante principio per il successo dell'ingegneria del tessuto osseo mirato è l'uso di cellule esogene e/o l'attivazione di cellule endogene che sono direttamente coinvolte nei processi di creazione di questo tessuto. In questo caso, la fonte di tali cellule può essere sia il proprio che un organismo donatore. Ad esempio, l'uso di alcuni tipi cellulari da cellule stromali pluripotenti del midollo osseo a cellule simili a osteoblasti impegnati è stato utilizzato con successo sia negli esperimenti sugli animali che in clinica.

Di norma, durante il trapianto inverso nel corpo, le cellule progenitrici stromali sono in grado di differenziarsi in forme mature, sintetizzare una matrice e innescare una cascata di reazioni di riparazione del tessuto osseo endogeno. Allo stesso tempo, una visione alternativa sull'uso dei biomateriali compositi suggerisce il loro effetto diretto sull'osso endogeno e su altre cellule del tessuto connettivo, il loro reclutamento (attrazione) nella zona di impianto, la stimolazione della loro proliferazione e l'aumento della loro attività biosintetica, forzando questi cellule per formare attivamente tessuto osseo. Inoltre, tali materiali possono essere buoni portatori di cellule su cui le cellule staminali possono essere coltivate prima del trapianto. L'ultimo dei principi fondamentali per il successo dell'ingegneria del tessuto osseo è l'uso di molecole bioattive, inclusi fattori di crescita, citochine, ormoni e altre sostanze biologicamente attive.

Per l'induzione della formazione ossea, i fattori più conosciuti sono le proteine ​​morfogenetiche ossee, il fattore di crescita trasformante - TGF-β, il fattore di crescita insulino-simile IGF e il fattore di crescita dell'endotelio vascolare VEGF. Pertanto, un materiale biocomposito può essere saturato e/o contenere questi molecole bioattive nella sua struttura, che gli consentono di essere utilizzato durante l'impianto come deposito di tali sostanze. Il rilascio graduale di questi fattori può influenzare attivamente i processi di rigenerazione ossea. Oltre a queste sostanze, la composizione dei materiali compositi può includere micro e macroelementi, nonché altre molecole (zuccheri, peptidi, lipidi, ecc.) in grado di stimolare e mantenere una maggiore attività fisiologica delle cellule in un tessuto osseo in recupero.

Attualmente, esiste un'ampia varietà di materiali in bioplastica che hanno proprietà osteoconduttive e/o osteoinduttive. Pertanto, i materiali contenenti idrossiapatite (HA) praticamente pura, come Osteogaf, Bio-Oss, Osteomin, Ostim, presentano proprietà principalmente conduttive, sebbene siano in grado di esercitare un debole effetto osteoinduttivo. Un altro gruppo di materiali è il tessuto osseo completamente o parzialmente demineralizzato, nonché le combinazioni di questi materiali con sostanze biologicamente attive, come proteine ​​morfogenetiche ossee e/o fattori di crescita [Panasyuk A.F. et al., 2004].

I requisiti più importanti per i materiali in bioplastica rimangono parametri come le loro proprietà antigeniche e induttive. Inoltre, varie operazioni richiedono spesso materiali che, insieme agli indicatori di cui sopra, abbiano buone caratteristiche plastiche o di resistenza per creare e mantenere le forme e le configurazioni necessarie durante il riempimento di cavità e difetti dei tessuti.

Tenendo conto di tutto quanto sopra, Konectbiopharm LLC ha sviluppato una tecnologia per ottenere collagene osseo e glicosaminoglicani solfati ossei (sGAG) e, sulla base di questi, sono stati prodotti materiali osteoplastici biocompositi delle serie Biomatrix e Osteomatrix. La principale differenza tra questi gruppi di biomateriali è che Biomatrix contiene collagene osseo e glicosaminoglicani ossei solfati e Osteomatrix, avendo gli stessi due componenti principali del tessuto osseo, contiene anche idrossiapatite nella sua forma naturale [Panasyuk A.F. et al., 2004]. La fonte di questi biomateriali sono le ossa spugnose e corticali di vari animali, così come gli esseri umani. Il collagene osseo ottenuto con questa tecnologia non contiene altre proteine ​​e, in condizioni in vitro, è praticamente insolubile in soluzioni sufficientemente concentrate di alcali e acidi organici.

Questa proprietà consente ai biomateriali non solo di essere inerti rispetto al sistema immunitario del corpo, ma anche di resistere a lungo alla biodegradazione dopo il loro impianto. Attualmente, per accelerare la crescita delle ossa e dei tessuti molli, viene utilizzato attivamente il metodo di stimolazione delle cellule con plasma ricco di piastrine (PRP). Questa nuova biotecnologia di ingegneria tissutale mirata e terapia cellulare rappresenta, secondo alcuni autori, una vera svolta nella pratica chirurgica. Tuttavia, l'ottenimento di tale plasma richiede determinate attrezzature tecniche e, in alcuni casi, dipendenti appositamente formati. L'utilizzo del materiale Biomatrix per questi scopi risolve completamente il vero problema con costi minimi, perché non è necessario isolare le piastrine dal sangue del paziente. In una serie di esperimenti, abbiamo scoperto che il materiale "Biomatrix" è in grado di legare in modo specifico e in grandi quantità le piastrine del sangue periferico (tabella 1).

Tabella 1 Legame delle piastrine del sangue al collagene osseo.

* - 6 ml di sangue sono stati incubati con 1 g di collagene osseo (1 g di collagene osseo secco occupa un volume da 2 a 7 cm³, a seconda della sua porosità). I dati nella tabella sono presentati come il contenuto di piastrine in 1 ml di sangue dopo averlo fatto passare attraverso 1 cm³ di collagene osseo.

Quindi, 1 cm³ di biomateriale Biomatrix è in grado di legare quasi tutte le piastrine (più del 90%) da 1 ml di sangue, cioè da 226 a 304 milioni di piastrine. Allo stesso tempo, il legame delle piastrine al collagene osseo avviene rapidamente e si completa in pochi minuti (grafico 1).

Grafico 1. Il tasso di legame delle piastrine del sangue al collagene osseo.

È stato inoltre riscontrato che se il biomateriale "Biomatrix" è stato utilizzato senza copertura con anticoagulanti, la formazione di un coagulo si è verificata quasi istantaneamente. È stato ora dimostrato che la concentrazione di lavoro per il plasma ricco di piastrine parte da 1 milione di piastrine per µl Pertanto, per ottenere un plasma ricco di piastrine, le piastrine devono essere concentrate in media 5 volte, ma allo stesso tempo tale l'isolamento richiede notevoli costi finanziari e una certa esperienza professionale. Inoltre, per l'attivazione delle piastrine e il loro rilascio di 7 fattori di crescita: 3 tipi di PDGF-aa, -bb, -ab, due fattori di crescita trasformanti - TGF-β1 e β2, fattore di crescita endoteliale vascolare VEGF e fattore di crescita epiteliale EGF - Il plasma ricco deve essere coagulato dalle piastrine prima dell'uso. Rispetto ai metodi noti, il biomateriale "Biomatrix" può aumentare notevolmente la concentrazione di piastrine. Allo stesso tempo, il collagene è proprio la proteina in grado di attivare il fattore di Hageman (XII fattore di coagulazione del sangue) e il sistema del complemento.

È noto che il fattore Hageman attivato innesca una cascata di reazioni del sistema di coagulazione del sangue e porta alla formazione di un coagulo di fibrina. Questo fattore oi suoi frammenti possono anche avviare il sistema callicreina-chinina del sangue. Pertanto, il collagene osseo nella composizione dei materiali "Biomatrix" e "Osteomatrix" è in grado di attivare i principali sistemi di proteolisi del plasma sanguigno, che sono responsabili del mantenimento dell'equilibrio emodinamico e della garanzia delle reazioni rigenerative del corpo. A differenza del plasma ricco di piastrine, che di per sé non ha un effetto osteoinduttivo, cioè non può avviare la formazione ossea senza la presenza di cellule ossee, i materiali Biomatrix e Osteomatrix hanno una tale potenza.

Quindi, con l'impianto intramuscolare di biomateriali Biomatrix e, in particolare, Osteomatrix, si forma tessuto osseo ectopico, che dimostra direttamente l'attività osteoinduttiva di questi materiali [Ivanov S.Yu. et al., 2000]. L'uso combinato di plasma ricco di piastrine con una proteina morfogenetica ossea ricombinante, in grado di stimolare le cellule del tessuto connettivo a formare tessuto osseo, risolve questo problema, ma ciò comporta un aumento significativo del costo della tecnica. Va inoltre notato che i materiali della serie Osteomatrix contengono idrossiapatite ossea naturale, che è in grado di accumulare per affinità le proteine ​​morfogenetiche ossee sintetizzate dagli osteoblasti sulla sua superficie, e quindi stimolare ulteriormente l'osteogenesi ("osteoinduzione indotta").

In questo caso viene completamente rimossa l'obiezione circa la possibilità di sviluppare tumori dovuti all'utilizzo di proteine ​​ricombinanti, perché nel caso di un utilizzo simile dei materiali Biomatrix e Osteomatrix, nella zona di impianto sono presenti solo proteine ​​naturali di origine naturale . I materiali delle serie "Biomatrix" e "Osteomatrix" hanno anche un'altra qualità unica: sono in grado di legare per affinità i glicosaminoglicani solfati [Panasyuk AF, Savashchuk DA, 2007]. Questo legame in condizioni simili al legame piastrinico si verifica in un breve periodo di tempo e il numero di glicosaminoglicani solfati legati supera significativamente i parametri fisiologici (tabella 2).

Tabella 2 Legame dei glicosaminoglicani solfati al collagene osseo.

Allo stato attuale è noto che sia il collagene che l'idrossiapatite utilizzati separatamente hanno proprietà prevalentemente osteoconduttive, ovvero sono in grado di svolgere il ruolo di solo materiale "facilitante" per la creazione di nuovo osso. Tuttavia, queste molecole possono anche avere un debole effetto osteoinduttivo sulle cellule osteoblastiche a causa di alcune delle loro proprietà biologiche.

Questo effetto osteoinduttivo è potenziato dall'uso combinato di questi due tipi di molecole. D'altra parte, se nei biomateriali sono presenti anche glicosaminoglicani solfati insieme a collagene e idrossiapatite, allora un tale complesso sarà nella struttura più vicino alla matrice ossea naturale e, quindi, avrà le sue caratteristiche funzionali in misura maggiore. Quindi, è noto che i glicosaminoglicani solfati influenzano molti indicatori del metabolismo del tessuto connettivo.

Sono in grado di ridurre l'attività degli enzimi proteolitici, sopprimere l'effetto sinergico di questi enzimi e dei radicali dell'ossigeno sulla matrice intercellulare, bloccare la sintesi dei mediatori dell'infiammazione mascherando determinanti antigenici e abolire la chemiotassi, prevenire l'apoptosi cellulare indotta da fattori dannosi, e inoltre ridurre la sintesi lipidica e quindi prevenire i processi di degradazione. Inoltre, questi composti sono direttamente coinvolti nella costruzione delle stesse fibre di collagene e della matrice extracellulare nel suo insieme.

Nelle prime fasi del danno al tessuto connettivo, agiscono come iniziatori della creazione di una matrice temporanea e consentono di fermare la rottura del tessuto connettivo e la formazione di una cicatrice ruvida, per poi assicurarne una più rapida sostituzione con il tessuto connettivo normale per questo organo [Panasyuk AF et al., 2000]. Sfortunatamente, il ruolo dei glicosaminoglicani solfati nella regolazione dell'osteogenesi non è stato studiato a sufficienza, tuttavia, è stato dimostrato che il principale contendente per il ruolo di induttore dell'osteogenesi ectopica nel sistema modello è il proteoglicano secreto dalle cellule dell'epitelio vescicale [Fridenshtein A.Ya., Lalykina KS, 1972] .

Altri autori condividono un'opinione simile, ritenendo che i proteoglicani siano uno dei fattori del microambiente stromale che regola l'emopoiesi e altre istogenesi dei derivati ​​mesenchimali. Inoltre, è stato dimostrato che i solfati di condroitina in vitro e in vivo hanno un effetto pronunciato sulla mineralizzazione ossea, quindi abbiamo scoperto che quando il materiale "Osteomatrix" viene esposto alla coltura di condrociti umani, le loro proprietà condrogeniche sono indotte. Sotto l'influenza del materiale, i condrociti umani hanno formato strutture istotipiche in coltura, in cui si verificano deposizione di fosfato e mineralizzazione della matrice ossea durante la sua ossificazione.

Inoltre, è stato riscontrato che dopo l'impianto dei biomateriali "Biomatrix", "Allomatrix-implant" e "Osteomatrix" nei conigli, si forma l'osso ectopico, seguito dal suo insediamento con il midollo osseo. Inoltre, questi materiali sono stati utilizzati con successo come vettori per il trapianto di cellule staminali progenitrici stromali [Ivanov S.Yu. et al., 2000]. Ad oggi, questi materiali hanno ottenuto riconoscimenti sia nella pratica odontoiatrica che in quella ortopedica [Ivanov S.Yu. et al., 2000, Lekishvili MV et al., 2002, Grudyanov AI et al., 2003, Asnina SA et al., 2004, Vasiliev M. G. et al., 2006]. Con elevata efficacia, sono stati utilizzati nei casi di osteogenesi imperfetta, nel restauro della mano, nel trattamento chirurgico delle malattie parodontali e nell'eliminazione dei difetti delle ossa mascellari. Questi biomateriali, grazie alla tecnologia sviluppata per la loro fabbricazione, sono finora gli unici materiali al mondo che hanno conservato quasi completamente il collagene e le strutture minerali dell'osso naturale, ma allo stesso tempo questi materiali sono completamente privi di antigenicità.

Il grande vantaggio di questi biomateriali è che contengono glicosaminoglicani ossei solfati, affinità associata al collagene e all'idrossiapatite, che li distingue significativamente dagli analoghi disponibili nel mondo e ne aumenta notevolmente la potenza osteogenica. Pertanto, i dati sperimentali e clinici di cui sopra dimostrano davvero che, sulla base dei moderni principi dell'ingegneria dei tessuti, sono stati sviluppati e introdotti nella pratica clinica materiali biocompositi domestici a base di collagene osseo, glicosaminoglicani solfati e idrossiapatite. Questi biomateriali di nuova generazione moderni, efficaci e sicuri aprono ampie prospettive per la risoluzione di molti problemi di restauro del tessuto osseo in traumatologia e ortopedia, nonché in molte altre aree della pratica chirurgica.

L'elettronogramma (Fig. 1) mostra che le preparazioni di collagene osseo sono una rete di fasci e fibre ordinate. Allo stesso tempo, le fibre stesse sono densamente imballate in fasci del secondo ordine, senza rotture e difetti. Per il suo aspetto, il materiale ha una classica struttura poroso-cellulare, che corrisponde pienamente all'architettura dell'osso spugnoso nativo ed è privo di vasi, proteine, inclusioni meccaniche e di altro tipo. La dimensione dei pori varia da 220 a 700 µm.

La biocompatibilità del collagene osseo è stata da noi valutata secondo test standard nelle condizioni del loro impianto sotto la pelle di ratti Wistar. Con l'aiuto dell'analisi istomorfologica e della microscopia elettronica a scansione, è stato riscontrato che il collagene osseo dopo un mese e mezzo di permanenza nel corpo del ricevente non viene praticamente distrutto e mantiene la sua struttura.

Fig 1. Fig 2.

Come si può vedere in Fig. 2, i pori, le trabecole e le cellule del collagene osseo impiantato sono parzialmente riempiti con TC fibrosa lassa, le cui fibre sono debolmente saldate all'impianto. Si vede chiaramente che attorno ad esso si forma uno strato fibroso insignificante e nell'impianto stesso si nota la presenza di un piccolo numero di elementi cellulari, il principale dei quali sono i fibroblasti. Tipicamente, l'impianto non è saldato al tessuto dermico circostante per quasi tutta la sua lunghezza. Questi risultati indicano chiaramente l'elevata resistenza di questo materiale alla biodegradazione e la completa bioinerzia del tessuto connettivo circostante rispetto ad esso.

Abbiamo condotto studi sull'effetto dei biomateriali "Biomatrix", "Allomatrix-implant" e "Osteomatrix" sull'osteoreparazione sul modello di osteotomia segmentale secondo metodi generalmente accettati (Katthagen BD, Mittelmeeir H., 1984; Schwarz N. et.al ., 1991). Nell'esperimento sono stati utilizzati conigli di razza Chinchilla del peso di 1,5-2,0 kg, sottoposti a osteotomia segmentaria del radio in anestesia endovenosa.

Due mesi dopo l'operazione, è stata notata la formazione di nuovo tessuto osseo nella zona dell'impianto. Sulla fig. 3 il risultato dell'esame istomorfologico del materiale "Allomatrix-implant" dopo 2 mesi. dopo l'operazione. Nella zona prossimale del difetto è visibile un tessuto osseo giovane ben sviluppato. Gli osteoblasti sono adiacenti ai fasci ossei in gran numero.

Nella sostanza interstiziale, gli osteciti si trovano nelle lacune e nella nuova sostanza ossea si formano fibre di collagene densamente impaccate. La sostanza interstiziale con cellule attive è ben sviluppata. L'area implantare (sopra ea sinistra) è attivamente ricostruita.

In generale, c'è una maturazione ossea accelerata intorno all'area dell'impianto.

Inoltre, si è scoperto che la struttura porosa-cellulare del collagene osseo fornisce non solo il mantenimento del volume nel difetto grazie alle sue proprietà elastiche, ma anche l'opportunità ottimale per la crescita interna delle cellule del tessuto connettivo, lo sviluppo del sangue vasi e la formazione di osso quando si sostituisce questo difetto.