Cells, Scaffolds, and Biofactors: From Functional to Translational Tissue Engineering

Gli approcci di medicina rigenerativa basati su cellule ingegneristiche e scaffold biomateriali in tessuti “di ricambio” promettono di plasmare il futuro della chirurgia ricostruttiva e del trapianto di organi. Ad oggi, l’uso di tessuti ingegnerizzati funzionali in vitro per il successivo impianto in difetti tissutali in vivo rimane sperimentale, nonostante alcuni primi successi clinici . In questo approccio, combinazioni di cellule e molecole bioattive vengono seminate su scaffold biomateriali tridimensionali

Le cellule possono essere recuperate da una varietà di fonti, tra cui cellule staminali embrionali, cellule staminali/progenitrici postnatali e adulte o le cellule staminali pluripotenti indotte (IPS) scoperte di recente. L’approccio comune nella rigenerazione dei tessuti ingegnerizzati è stato quello di isolare le cellule dalle biopsie tissutali o dagli aspirati, manipolarle e reintrodurle nell’ospite . Per la rigenerazione ossea, sono state studiate più fonti cellulari, tra cui aspirati di midollo osseo freschi ; cellule staminali/progenitrici mesenchimali del midollo osseo purificate, espanse in coltura, osteoblasti e cellule che sono state modificate geneticamente per esprimere fattori osteogenici come rhBMP , cellule del sangue del cordone ombelicale , cellule staminali/progenitrici derivate adipose o cellule staminali embrionali . I vantaggi e gli svantaggi percepiti di queste fonti cellulari nell’ingegneria del tessuto osseo sono stati recentemente esaminati .

Una delle sfide fondamentali del trapianto di cellule è il costo e la complessità associati allo sviluppo di strategie sperimentali in prodotti approvati dalla regolamentazione. L’elaborazione delle cellule intra-operative, mentre immune dall’approvazione normativa, può servire solo come servizio point-of-care per un paziente alla volta. Una volta che le celle vengono manipolate fuori sede, l’approvazione normativa è richiesta automaticamente. Il trapianto di cellule ha incontrato una serie di ostacoli verso la traduzione clinica, tra cui il potenziale rigetto immunitario per le cellule non autologhe, la trasmissione degli agenti patogeni, la potenziale tumorigenesi, i costi associati all’imballaggio, allo stoccaggio e alla spedizione, la durata di conservazione e la riluttanza dei medici e dell’assicurazione nell’adozione clinica . La sopravvivenza cellulare nell’ospite è anche un problema instabile, indipendentemente dalla fonte cellulare, e si discute se le cellule trapiantate siano rigenerative di per sé o semplicemente fungano da fonte pleiotropica di fattori e segnali, specialmente nella loro capacità di regolare l’infiammazione . Queste barriere continueranno ad essere sfide per l’implementazione dell’osso ingegnerizzato come trattamento clinico nel prossimo futuro. Un paradigma alternativo è quello di attivare le cellule staminali endogene per partecipare alla rigenerazione ossea. Un esempio calzante sono le cellule progenitrici periostali, che vengono attivate da lesioni e svolgono un ruolo indispensabile nella riparazione della frattura . Resta da dimostrare se la semplice mobilizzazione e l’homing delle cellule staminali endogene al sito del difetto siano sufficienti per la rigenerazione e presentino vantaggi rispetto al trapianto di cellule esogene.

L’assemblaggio delle cellule nella forma tridimensionale richiesta (3D) del difetto osseo richiede un biomateriale di scaffolding che trasporta e trattiene le cellule e potenzialmente stimola e guida la loro induzione della rigenerazione tissutale. I requisiti minimi degli scaffold biomateriali oltre al sostentamento della forma (forma e dimensione 3D) includono la fissazione (fissaggio dell’attaccamento all’osso ospite e minimizzazione del micro-movimento), la funzione (creazione di un carico meccanico temporaneo o permanente) e la formazione (fornitura di porosità appropriata per il trasporto di massa, la rivascolarizzazione, l’osteoinduzione e l’osteoconduzione) . Ulteriori caratteristiche di biocompatibilità devono essere soddisfatte anche negli scaffold biomateriali, tra cui la mancanza di immunogenicità e tossicità. Inoltre, gli scaffold possono essere migliorati funzionalizzando la superficie per suscitare affinità al legame cellulare e modulazione interattiva della risposta delle cellule e possono essere progettati per la consegna localizzata e controllata di varie molecole bioattive.

Gli scaffold possono derivare da tessuti nativi e polimeri biologici e / o polimeri sintetici e possono essere fabbricati utilizzando una varietà di tecniche convenzionali (recensite in ). Tra queste tecniche, Solid freeform Fabrication (SFF) offre notevoli vantaggi nel consentire un controllo squisito della forma dello scaffold e dell’architettura interna basata sulla modellazione 3D guidata da immagini mediche del difetto osseo . Recentemente, la bioprinting 3D è stata abilitata dalla disponibilità commerciale di sistemi di stampa 3D multi-iniettore a bassa temperatura, ad alta risoluzione, originariamente sviluppati per applicazioni di prototipazione rapida. Questa tecnologia è stata adattata con successo per l’ingegneria del tessuto osseo con polvere di fosfato di calcio biocompatibile e osteoinduttivo e sistema legante biocompatibile per la stampa 3D guidata da CT di scaffold specifici per il paziente . Le capacità multi-iniettore di una stampante 3D colorata consentono potenzialmente l’incorporamento di combinazioni di biofattori e molecole all’interno dello scaffold con controllo spaziale, che può essere attraente in scenari che potrebbero richiedere un controllo spaziotemporale sulla cinetica di rilascio. Tuttavia, una recente revisione di scaffold per l’ingegneria del tessuto osseo ha dipinto un quadro desolante per traslazionale corso del campo , che rimane pieno di sfide tecniche di progettazione, produzione, e funzionalizzanti ponteggi, l’approvazione di regolamentazione ostacoli, le sfide di business relative al meeting individuazione di mercati di nicchia e la creazione di grandi investimenti iniziali necessari per sostenere il business attraverso il lungo e articolato processo di regolamentazione, e la proprietà intellettuale (IP) del ciclo di vita i problemi che deve proteggere il prodotto abbastanza a lungo al di là del processo normativo per recuperare l’ investimenti e rendere questi prodotti commercialmente redditizi.

La somministrazione di biofattori e molecole può alterare la segnalazione cellulare nell’ambiente del difetto ed è stato dimostrato che influenza l’esito della rigenerazione. Un paradigma popolare nell’ingegneria dei tessuti suggerisce che riattivare i fattori di sviluppo e la segnalazione potrebbero essere necessari per una vera rigenerazione del tessuto adulto perduto . Tuttavia, non è chiaro se i complessi gradienti di segnalazione dello sviluppo e le cascate debbano o possano essere replicati fedelmente nella riparazione tissutale postnatale. Indipendentemente da ciò, la nostra comprensione della biologia dello sviluppo del sistema muscolo-scheletrico, e più specificamente la formazione ossea endocondrale e intramembranosa nell’embrione ci fornisce una pletora di informazioni sui fattori, che se applicati individualmente possono migliorare la rigenerazione ossea. Quest’ultimo approccio più semplice è preferibile per la traduzione terapeutica.

Un esempio calzante è stata la scoperta delle proteine morfogenetiche ossee (BMP), che sono state scoperte da Marshall Urist e propagandate per le loro proprietà osteoinduttive . Studi scientifici di base utilizzando topi transgenici in cui i singoli BMP sono stati eliminati selettivamente dallo scheletro dell’arto hanno identificato BMP-2 come un fattore critico nella capacità rigenerativa innata dell’osso . La combinazione di BMP-2 umano ricombinante su un trasportatore assorbibile della spugna del collagene (ACS) è stata uno dei sistemi più studiati nelle indagini precliniche e cliniche e rappresenta una delle scoperte ortopediche terapeutiche più significative . Con il supporto dei dati degli studi clinici di livello 1, rhBMP-2 / ACS (INFUSE® Bone Graft) è disponibile in commercio, al momento della stesura di questo documento, per tre indicazioni cliniche approvate dalla Food and Drug Administration (FDA), tra cui fusione spinale, fratture tibiali aperte con fissazione intermidollare (IM), aumento orale e maxillo-facciale (aumenti del seno e aumenti della cresta alveolare Tuttavia, l’efficacia di INFONDERE innesti ossei richiede concentrazioni supraphysiological di BMP-2, e numerosi eventi avversi sono stati depositati presso la FDA e riportati in letteratura in indicazioni approvate e usi off-label . Pertanto, l’identificazione di dosi efficaci di BMP-2 (e forse altri fattori osteogenici e vasculogenici) per la rigenerazione di difetti ossei critici, preferibilmente con effetti collaterali tollerabili e subclinici, rimane una sfida comune per la comunità di rigenerazione tissutale.

Una prospettiva entusiasmante è stata la scoperta del valore terapeutico degli ormoni sistemici come l’ormone paratiroideo (PTH) nella riparazione delle fratture e nell’ingegneria tissutale dei difetti diafisari critici nei modelli preclinici . Questo approccio sistemico di consegna potrebbe superare le sfide associate con la consegna locale, ma resta da convalidare clinicamente.

Per riassumere, ciascuno dei singoli componenti della triade convenzionale di ingegneria tissutale (cellule, scaffold e biofattori) porta serie uniche di sfide. L’ottimizzazione di questi costrutti compositi in sostituti funzionali dei tessuti, viene tipicamente eseguita empiricamente in laboratorio ex vivo utilizzando modelli di coltura cellulare e tissutale e in vivo utilizzando modelli animali preclinici. Tuttavia, questo approccio ha affrontato difficili barriere alla traduzione dal banco al comodino. Un prodotto medico a tre componenti avrebbe almeno 3ni possibili combinazioni di variabili indipendenti (dove ni è il numero di possibili variabili associate al componente ith del prodotto a tre componenti), il che rende impossibile la fattibilità di testare la matrice sperimentale in un’indagine completa. Ciò ha limitato i progressi nel campo alle sole scoperte incrementali, nonostante gli sviluppi entusiasmanti e le tecnologie innovative che sono state riportate in modelli preclinici e di piccoli animali. I requisiti normativi dei prodotti per la rigenerazione ossea multicomponente hanno ostacolato e continuano a rallentare la traduzione clinica. Tuttavia, approcci rigenerativi innovativi “point-of-care” guidati dal paradigma dell’ingegneria tissutale sono stati riportati nella letteratura clinica con notevoli successi iniziali.