Musculoskeletal tissue regeneration by human non-embryonic stem cells

The aim of this thesis was to investigate the regenerative potential of alternative sources of stem cells, derived from human dental pulp (hDPSCs) and amniotic fluid (hAFSCs) and, specifically, to evaluate their capability to be committed towards osteogenic and myogenic lineages, for the eventual applicability of these stem cells to translational strategies in regenerative medicine of bone and skeletal muscle tissues. The in vitro bone production by stem cells may represent a radical breakthrough in the treatment of pathologies and traumas characterized by critical bone mass defects, with no medical or surgical solution. Human DPSCs and AFSCs were seeded and pre-differentiated on different scaffolds to test their capability to subsequently reach the osteogenic differentiation in vivo, in order to recover critical size bone defects. Fibroin scaffold resulted to be the best scaffold promoting mature bone formation and defect correction when combined to both hDPSCs and hAFSCs. This study also described a culture condition that might allow human DPSCs to be used for human cell therapy in compliance with good manufacturing practices (GMPs): the use of human serum (HS) promoted the expansion and the osteogenic differentiation of hDPSCs in vitro and, furthermore, allowed pre-differentiated hDPSCs to regenerate critical size bone defects in vivo. This thesis also showed that hDPSCs and hAFSCs can be differentiated towards the myogenic lineage in vitro, either when co-cultured with murine myoblasts and when differentiated alone after DNA demethylation treatment. Interestingly, when injected into dystrophic muscles of SCID/mdx mice - animal model of Duchenne Muscular Dystrophy (DMD) - hDPSCs and hAFSCs pre-differentiated after demethylating treatment were able to regenerate the skeletal muscle tissue and, particularly, to restore dystrophin expression. These observations suggest that human DPSCs and AFSCs might be eventually applied to translational strategies, in order to enhance the repair of injured skeletal muscles in DMD patients.

Funzionalizzazione della mandibola dopo ricostruzione con lembo libero rivascolarizzato di fibula "single strut". Al di là del deficit di verticalità.

Obiettivi: Valutare la modalità  più efficace per la riabilitazione funzionale del limbo libero di fibula "single strut", dopo ampie resezioni per patologia neoplastica maligna del cavo orale. Metodi: Da una casistica di 62 ricostruzioni microvascolari con limbo libero di fibula, 11 casi sono stati selezionati per essere riabilitati mediante protesi dentale a supporto implantare. 6 casi sono stati trattati senza ulteriori procedure chirurgiche ad eccezione dell'implantologia (gruppo 1), affrontando il deficit di verticalità  della fibula attraverso la protesi dentaria, mentre i restanti casi sono stati trattati con la distrazione osteogenetica (DO) della fibula prima della riabilitazione protesica (gruppo 2). Il deficit di verticalità  fibula/mandibola è stato misurato. I criteri di valutazione utilizzati includono la misurazione clinica e radiografica del livello osseo e dei tessuti molli peri-implantari, ed il livello di soddisfazione del paziente attraverso un questionario appositamente redatto. Risultati: Tutte le riabilitazioni protesiche sono costituite da protesi dentali avvitate su impianti. L'età  media è di 52 anni, il rapporto uomini/donne è di 6/5. Il numero medio di impianti inseriti nelle fibule è di 5. Il periodo massimo di follow-up dopo il carico masticatorio è stato di 30 mesi per il gruppo 1 e di 38.5 mesi (17-81) di media per il gruppo 2. Non abbiamo riportato complicazioni chirurgiche. Nessun impianto è stato rimosso dai pazienti del gruppo 1, la perdita media di osso peri-implantare registrata è stata di 1,5 mm. Nel gruppo 2 sono stati riportati un caso di tipping linguale del vettore di distrazione durante la fase di consolidazione e un caso di frattura della corticale basale in assenza di formazione di nuovo osso. L'incremento medio di osso in verticalità è stato di 13,6 mm (12-15). 4 impianti su 32 (12.5%) sono andati persi dopo il periodo di follow-up. Il riassorbimento medio peri-implantare, è stato di 2,5 mm. Conclusioni: Le soluzioni più utilizzate per superare il deficit di verticalità  del limbo libero di fibula consistono nell'allestimento del lembo libero di cresta iliaca, nel posizionare la fibula in posizione ideale da un punto di vista protesico a discapito del profilo osseo basale, l'utilizzo del lembo di fibula nella versione descritta come "double barrel", nella distrazione osteogenetica della fibula. La nostra esperienza concerne il lembo libero di fibula che nella patologia neoplastica maligna utilizziamo nella versione "single strut", per mantenere disponibili tutte le potenzialità  di lunghezza del peduncolo vascolare, senza necessità  di innesti di vena. Entrambe le soluzioni, la protesi dentale ortopedica e la distrazione osteogenetica seguita da protesi, entrambe avvitate su impianti, costituiscono soluzioni soddisfacenti per la riabilitazione funzionale della fibula al di là  del suo deficit di verticalità . La prima soluzione ha preso spunto dall'osservazione dei buoni risultati della protesi dentale su impianti corti, avendo un paragonabile rapporto corona/radice, la DO applicata alla fibula, sebbene sia risultata una metodica con un numero di complicazioni più elevato ed un maggior livello di riassorbimento di osso peri-implantare, costituisce in ogni caso una valida opzione riabilitativa, specialmente in caso di notevole discrepanza mandibulo/fibulare. Decisiva è la scelta del percorso terapeutico dopo una accurata valutazione di ogni singolo caso. Vengono illustrati i criteri di selezione provenienti dalla nostra esperienza.

Impiego di cellule staminali in terapia veterinaria

Over the past few years, in veterinary medicine there has been an increased interest in understanding the biology of mesenchymal stem cells (MSCs). This interest comes from their potential clinical use especially in wound repair, tissue engineering and application in therapeutics fields, including regenerative surgery. MSCs can be isolated directly from bone marrow aspirates, adipose tissue, umbilical cord and various foetal tissues. In this study, mesenchymal stem cells were isolated from equine bone marrow, adipose tissue, cord blood, Wharton’s Jelly and, for the first time, amniotic fluid. All these cell lines underwent in vitro differentiation in chondrocytes, osteocytes and adipocytes. After molecular characterization, cells resulted positive for mesenchymal markers such as CD90, CD105, CD44 and negative for CD45, CD14, CD34 and CD73. Adipose tissue and bone marrow mesenchymal stem cells were successfully applied in the treatment of tendinitis in race horses. Furthermore, for the first time in the horse, skin wounds of septicemic foal, were treated applying amniotic stem cells. Finally, results never reported have been obtained in the present study, isolating mesenchymal stem cells from domestic cat foetal fluid and membranes. All cell lines underwent in vitro differentiation and expressed mesenchymal molecular markers.

Modulazione del differenziamento osteogenico di precursori mesenchimali umani per applicazioni di ingegneria tissutale

Lo scheletro è un tessuto dinamico, capace di adattarsi alle richieste funzionali grazie a fenomeni di rimodellamento ed alla peculiare proprietà rigenerativa. Tali processi avvengono attraverso l’azione coordinata di osteoclasti ed osteoblasti. Queste popolazioni cellulari cooperano allo scopo di mantenere l’ equilibrio indispensabile per garantire l’omeostasi dello scheletro. La perdita di tale equilibrio può portare ad una diminuzione della massa ossea e, ad una maggiore suscettibilità alle fratture, come avviene nel caso dell’osteoporosi. E’ noto che, nella fisiopatologia dell’osso, un ruolo cruciale è svolto da fattori endocrini e paracrini. Dati recenti suggeriscono che il rimodellamento osseo potrebbe essere influenzato dal sistema nervoso. L’ipotesi è supportata dalla presenza, nelle vicinanze dell’osso, di fibre nervose sensoriali responsabili del rilascio di alcuni neuro peptidi, tra i quali ricordiamo la sostanza P. Inoltre in modelli animali è stato dimostrato il diretto coinvolgimento del sistema nervoso nel mantenimento dell’omeostasi ossea, infatti ratti sottoposti a denervazione hanno mostrato una perdita dell’equilibrio esistente tra osteoblasti ed osteoclasti. Per tali ragioni negli ultimi anni si è andata intensificando la ricerca in questo campo cercando di comprendere il ruolo dei neuropeptidi nel processo di differenziamento dei precursori mesenchimali in senso osteogenico. Le cellule stromali mesenchimali adulte sono indifferenziate multipotenti che risiedono in maniera predominante nel midollo osseo, ma che possono anche essere isolate da tessuto adiposo, cordone ombelicale e polpa dentale. In questi distretti le MSC sono in uno stato non proliferativo fino a quando non sono richieste per processi locali di riparo e rigenerazione tessutale. MSC, opportunamente stimolate, possono differenziare in diversi tipi di tessuto connettivo quali, tessuto osseo, cartilagineo ed adiposo. L’attività di ricerca è stata finalizzata all’ottimizzazione di un protocollo di espansione ex vivo ed alla valutazione dell’influenza della sostanza P, neuropeptide presente a livello delle terminazioni sensoriali nelle vicinanze dell’osso, nel processo di commissionamento osteogenico.

In vitro study of the osteocytes response to hypoxia and their regulation of bone homeostasis

Bone remodelling is a fundamental mechanism for removing and replacing bone during adaptation of the skeleton to mechanical loads. Skeletal unloading leads to severe hypoxia (1%O2) in the bone microenvironment resulting in imbalanced bone remodelling that favours bone resorption. Hypoxia, in vivo, is a physiological condition for osteocytes, 5% O2 is more likely physiological for osteocytes than 20% O2, as osteocytes are embedded deep inside the mineralized bone matrix. Osteocytes are thought to be the mechanosensors of bone and have been shown to orchestrate bone formation and resorption. Oxygen-deprived osteocytes seem undergo apoptosis and actively stimulate osteoclasts. Hypoxia and oxidative stress increase 150-kDa oxygen-regulated protein (ORP 150) expression in different cell types. It is a novel endoplasmic-reticulum-associated chaperone induced by hypoxia/ischemia. It well known that ORP 150 plays an important role in the cellular adaptation to hypoxia, as anti-apoptotic factor, and seems to be involved in osteocytes differentiations. The aims of the present study are 1) to determine the cellular and molecular response of the osteocytes at two different conditions of oxygen deprivation, 1% and 5% of O2 compared to the atmospheric oxygen concentration at several time points. 2) To clarify the role of hypoxic osteocytes in bone homeostasis through the detection of releasing of soluble factors (RANKL, OPG, PGE2 and Sclerostin). 3) To detect the activation of osteoclast and osteoblast induced by condition media collected from hypoxic and normoxic osteocytes. The data obtained in this study shows that hypoxia compromises the viability of osteocytes and induces apoptosis. Unlike in other cells types, ORP 150 in MLO-Y4 does not seem to be regulated early during hypoxia. The release of soluble factors and the evaluation of osteoclast and osteoblast activation shows that osteocytes, grown under severe oxygen deprivation, play a role in the regulation of both bone resorption and bone formation.

Allestimento di modello sperimentale su animali di tessuto osseo ingegnerizzato

Questo studio ha valutato l'efficacia di un approccio rigenerativo utilizzando cellule staminali mesenchimali (MSC) e uno scaffold di idrossiapatite pura e porosa (HA) progettata con tecnologia CAD-CAM per sostituire il condilo dell'articolazione temporomandibolare (ATM). Metodi.Uno scaffolds di HA con porosità totale del 70% è stato prototipato per sostituire i due condili temporomandibolari (sinistro e destro) dello stesso animale. MSC sono state ottenute dalla cresta iliaca ed espanse in coltura. Guide chirurgiche su misura sono state create e utilizzate per esportare la pianificazione virtuale delle linee di taglio dell'osso nell'ambiente chirurgico. Sei pecore sono state sacrificate a 4 mesi dopo l'intervento.Gli scaffold sono stati espiantati, campioni istologici sono stati preparati, ed è stata eseguota l'analisi istomorfometrica. Risultati.L'analisi della riduzione di porosità per apposizione di osso neoformato mostrata una differenza statisticamente significativa tra la formazione ossea nei condili carichi di MSC rispetto ai condili senza (

Utilizzo di dispositivi magnetici nel trattamento della patologia artrosica del ginocchio

The use of scaffolds for Tissue Engineering (TE) is increasing due to their efficacy in helping the body rebuild damaged or diseased tissue. Hydroxyapatite (HA) is the most suitable bioactive ceramic to be used in orthopaedic reconstruction since it replicates the mineral component of the hard tissues, and it has therefore excellent biocompatibility properties. The temporal and spatial control of the tissue regeneration process is the limit to be overcome in order to treat large bone and osteochondral defects. In this thesis we describe the realization of a magnetic scaffolds able to attract and take up growth factors or other bio-agents in vivo via a driving magnetic force. This concept involves the use of magnetic nanoparticles (MNP) functionalized with selected growth factors or stem cells. These functionalized MNP act as shuttles transporting the bio-agents towards and inside the scaffold under the effect of the magnetic field, enhancing the control of tissue regeneration processes. This scaffold can be imagined as a fixed “station” that provides a unique possibility to adjust the scaffold activity to the specific needs of the healing tissue. Synthetic bone graft substitutes, made of collagen or biomineralized collagen (i.e. biomimetic Hydroxyapatite/collagen composites) were used as starting materials for the fabrication of magnetic scaffolds. These materials are routinely used clinically to replace damaged or diseased cartilaginous or bone tissue. Our magnetization technique is based on a dip-coating process consisting in the infilling of biologically inspired porous scaffolds with aqueous biocompatible ferrofluids’ suspensions. In this technique, the specific interconnected porosity of the scaffolds allows the ferrofluids to be drawn inside the structure by capillarity. A subsequent freeze-drying process allows the solvent elimination while keeping very nearly the original shape and porosity of the scaffolds. The remaining magnetic nanoparticles, which are trapped in the structure, lead to the magnetization of the HA/Collagen scaffold. We demonstrate here the possibility to magnetize commercially available scaffolds up to magnetization values that are used in drug delivery processes. The preliminary biocompatibility test showed that the investigated scaffolds provide a suitable micro-environment for cells. The biocompatibility of scaffold facilitates the growth and proliferation of osteogenic cells.

Biomaterials for Clinical Application in Endodontics

Endodontic therapy consists in the management of several tissues such as pulp tissue, periodontal tissue, periapical bone and dentine. These tissues are often contaminated by blood, periapical exudates and biological fluids. An ideal orthograde or retrograde filling material should be non toxic, noncarcinogenic, nongenotoxic, biocompatible with the host tissues, insoluble in tissue fluids, and dimensionally stable. Calcium-silicate MTA based cements own many of these ideal characteristics, but the long setting time, the non-easy handling and the lack of mechanical properties at early times are few drawbacks which may complicate the clinical application. The aim of this study was to investigate the chemical, physical and biological properties of calcium-silicate MTA cements in order to improve the mechanical properties and the handling keeping the biological characteristics unchanged. Chemical and physical properties such as setting time, solubility, water-uptake, ion release, sealing ability were investigated according the ISO and ADA specifications. The bioactivity (ability to produce apatite nano-sferulities) of MTA cements were evaluated using ESEM/EDX, micro-Raman and ATR/FTIR spettroscopy.