Study of interaction between Si(O,C) nanowires and the biological system

Nanomedicine is a new branch of medicine, based on the potentiality and intrinsic properties of nanomaterials. Indeed, the nanomaterials ( i.e. the materials with nano and under micron size) can be suitable to different applications in biomedicine. The nanostructures can be used by taking advantage of their properties (for example superparamagnetic nanoparticles) or functionalized to deliver the drug in a specific target, thanks the ability to cross biological barriers. The size and the shape of 1D-nanostructures (nanotubes and nanowires) have an important role on the cell fate: their morphology plays a key role on the interaction between nanostructure and the biological system. For this reason the 1D nanostructure are interesting for their ability to mime the biological system. An implantable material or device must therefore integrate with the surrounding extracellular matrix (ECM), a complex network of proteins with structural and signaling properties. Innovative techniques allow the generation of complex surface patterns that can resemble the structure of the ECM, such as 1D nanostructures. NWs based on cubic silicon carbide (3C-SiC), either bare (3C-SiC NWs) or surrounded by an amorphous shell (3C-SiC/SiO2 core/shell NWs), and silicon oxycarbide nanowires (SiOxCy NWs) can meet the chemical, mechanical and electrical requirements for tissue engineering and have a strong potential to pave the way for the development of a novel generation of implantable nano-devices. Silicon oxycarbide shows promising physical and chemical properties as elastic modulus, bending strength and hardness, chemical durability superior to conventional silicate glasses in aggressive environments and high temperature stability up to 1300 °C. Moreover, it can easily be engineered through functionalization and decoration with macro-molecules and nanoparticles. Silicon carbide has been extensively studied for applications in harsh conditions, as chemical environment, high electric field and high and low temperature, owing to its high hardness, high thermal conductivity, chemical inertness and high electron mobility. Also, its cubic polytype (3C) is highly biocompatible and hemocompatible, and some prototypes of biomedical applications and biomedical devices have been already realized starting from 3C-SiC thin films. Cubic SiC-based NWs can be used as a biomimetic biomaterial, providing a robust and novel biocompatible biological interface . We cultured in vitro A549 human lung adenocarcinoma epithelial cells and L929 murine fibroblast cells over core/shell SiC/SiO2, SiOxCy and bare 3C-SiC nanowire platforms, and analysed the cytotoxicity, by indirect and direct contact tests, the cell adhesion, and the cell proliferation. These studies showed that all the nanowires are biocompatible according to ISO 10993 standards. We evaluated the blood compatibility through the interaction of the nanowires with platelet rich plasma. The adhesion and activation of platelets on the nanowire bundles, assessed via SEM imaging and soluble P-selectin quantification, indicated that a higher platelet activation is induced by the core/shell structures compared to the bare ones. Further, platelet activation is higher with 3C-SiC/SiO2 NWs and SiOxCyNWs, which therefore appear suitable in view of possible tissue regeneration. On the contrary, bare 3C-SiC NWs show a lower platelet activation and are therefore promising in view of implantable bioelectronics devices, as cardiovascular implantable devices. The NWs properties are suitable to allow the design of a novel subretinal Micro Device (MD). This devices is based on Si NWs and PEDOT:PSS, though the well know principle of the hybrid ordered bulk heterojunction (OBHJ). The aim is to develop a device based on a well-established photovoltaic technology and to adapt this know-how to the prosthetic field. The hybrid OBHJ allows to form a radial p–n junction on a nanowire/organic structure. In addition, the nanowires increase the light absorption by means of light scattering effects: a nanowires based p-n junction increases the light absorption up to the 80%, as previously demonstrated, overcoming the Shockley-Queisser limit of 30 % of a bulk p-n junction. Another interesting employment of these NWs is to design of a SiC based epicardial-interacting patch based on teflon that include SiC nanowires. . Such contact patch can bridge the electric conduction across the cardiac infarct as nanowires can ‘sense’ the direction of the wavefront propagation on the survival cardiac tissue and transmit it to the downstream surivived regions without discontinuity. The SiC NWs are tested in terms of toxicology, biocompatibility and conductance among cardiomyocytes and myofibroblasts.

Structural and cellular characterization of Idiopathic Pulmonary Fibrosis

La Fibrosi Polmonare Idiopatica (IPF) è una malattia polmonare cronica, irreversibile la cui eziologia risulta essere ignota, caratterizzata da un processo fibrotico progressivo che inizia nel tratto respiratorio inferiore. Le persone affette da IPF presentano età media compresa tra 55 e 77 anni. L’incidenza annuale di IPF è stata recentemente stimata tra 14 e 42,7 casi per 100.000 persone e tale dato risulta essere in aumento. IPF fa parte delle malattie Polmonari Idiopatiche Interstiziali (IIP) che comprendono patologie con quadri istologici e clinici differenti. Le affezioni su cui si concentrerà questo studio sono: UIP (Usual Interstitial Pneumonia) caratterizzata da fibrosi interstiziale e dalla presenza di foci fibrotici connessi alla pleura e corrispondente al quadro anatomopatologico della maggior parte dei casi di IPF; NSIP (Non Specific Interstitial Pneumonia) simile alla UIP ma con maggiore uniformità temporale e spaziale delle manifestazioni; Sarcoidosi, malattia granulomatosa ad eziologia ignota. Attualmente la gravità della IPF, che implica una mortalità del 50% dei pazienti a 5 anni dall’esordio, e la scarsa efficacia farmacologica nel rallentarne la progressione vedono il trapianto polmonare come unica possibilità di sopravvivenza nelle forme più severe. Al momento non è chiaro il meccanismo patogenetico di insorgenza e progressione della IPF anche se sono stati individuati alcuni fattori scatenanti quali fumo di sigaretta, infezioni respiratorie e inquinanti atmosferici; tuttavia nessuno di tali elementi può da solo determinare un così esteso e progressivo rimodellamento del parenchima polmonare. Numerose sono le evidenze di come il substrato genetico, le alterazioni del rapporto morte/proliferazione cellulare e le citochine svolgano un ruolo nella genesi e nella progressione della malattia, ma non sono ancora chiari i fenomeni biologico-cellulari che la sostengono e, quindi, quali siano i punti di attacco per poter incidere terapeuticamente nel modificare l’evoluzione della IPF. Poiché il nostro laboratorio ha partecipato alla scoperta dell’esistenza di cellule staminali nel polmone umano normale, uno degli obiettivi finali di questo progetto si basa sull’ipotesi che un’alterazione del compartimento staminale svolga un ruolo cruciale nella eziopatogenesi di IPF. Per questo in precedenti esperienze abbiamo cercato di identificare nella IPF cellule che esprimessero antigeni associati a staminalità quali c-kit, CD34 e CD133. Questo lavoro di tesi si è proposto di condurre un’indagine morfometrica ed immunoistochimica su biopsie polmonari provenienti da 9 pazienti affetti da UIP, 3 da NSIP e 5 da Sarcoidosi al fine di valutare le alterazioni strutturali principali imputabili alle patologie. Preparati istologici di 8 polmoni di controllo sono stati usati come confronto. Come atteso, è stato osservato nelle tre patologie esaminate (UIP, NSIP e Sarcoidosi) un significativo incremento nella sostituzione del parenchima polmonare con tessuto fibrotico ed un ispessimento dei setti alveolari rispetto ai campioni di controllo. L’analisi dei diversi pattern di fibrosi presenti fa emergere come vi sia una netta differenza tra le patologie con una maggiore presenza di fibrosi di tipo riparativo e quindi altamente cellulata nei casi di UIP, e NSIP mentre nelle Sarcoidosi il pattern maggiormente rappresentato è risultato essere quello della fibrosi replacement o sostitutiva. La quantificazione delle strutture vascolari è stata effettuata tenendo separate le aree di polmone alveolare rispetto a quelle occupate da focolai sostitutivi di danno (componente fibrotica). Nei campioni patologici analizzati era presente un significativo riarrangiamento di capillari, arteriole e venule rispetto al polmone di controllo, fenomeno principalmente riscontrato nel parenchima fibrotico. Tali modifiche erano maggiormente presenti nei casi di NSIP da noi analizzati. Inoltre le arteriole subivano una diminuzione di calibro ed un aumento dello spessore in special modo nei polmoni ottenuti da pazienti affetti da Sarcoidosi. Rispetto ai controlli, nella UIP e nella Sarcoidosi i vasi linfatici risultavano inalterati nell’area alveolare mentre aumentavano nelle aree di estesa fibrosi; quadro differente si osservava nella NSIP dove le strutture linfatiche aumentavano in entrambe le componenti strutturali. Mediante indagini immunoistochimiche è stata documentata la presenza e distribuzione dei miofibroblasti, positivi per actina muscolare liscia e vimentina, che rappresentano un importante componente del danno tissutale nella IPF. La quantificazione di questo particolare fenotipo è attualmente in corso. Abbiamo inoltre analizzato tramite immunoistochimica la componente immunitaria presente nei campioni polmonari attraverso la documentazione dei linfociti T totali che esprimono CD3, andando poi a identificare la sottopopolazione di T citotossici esprimenti la glicoproteina CD8. La popolazione linfocitaria CD3pos risultava notevolmente aumentata nelle tre patologie analizzate soprattutto nei casi di UIP e Sarcoidosi sebbene l`analisi della loro distribuzione tra i vari distretti tissutali risultasse differente. Risultati simili si sono ottenuti per l`analisi dei linfociti CD8pos. La componente monocito-macrofagica è stata invece identificata tramite la glicoproteina CD68 che ha messo in evidenza una maggiore presenza di cellule positive nella Sarcoidosi e nella UIP rispetto ai casi di NSIP. I dati preliminari di questo studio indicano che il rimodellamento strutturale emo-linfatico e cellulare infiammatorio nella UIP si differenziano rispetto alle altre malattie interstiziali del polmone, avanzando l’ipotesi che il microambiente vascolare ed immunitario giochino un ruolo importante nella patogenesi della malattia