Studio di biomateriali usati come scaffold per Tissue Engineering e loro caratterizzazione con tecniche spettroscopiche vibrazionali e di analisi termica

This research investigated someone of the main problems connected to the application of Tissue Engineering in the prosthetic field, in particular about the characterization of the scaffolding materials and biomimetic strategies adopted in order to promote the implant integration. The spectroscopic and thermal analysis techniques were usefully applied to characterize the chemico-physical properties of the materials such as – crystallinity; – relative composition in case of composite materials; – Structure and conformation of polymeric and peptidic chains; – mechanism and degradation rate; – Intramolecular and intermolecular interactions (hydrogen bonds, aliphatic interactions). This kind of information are of great importance in the comprehension of the interactions that scaffold undergoes when it is in contact with biological tissues; this information are fundamental to predict biodegradation mechanisms and to understand how chemico-physical properties change during the degradation process. In order to fully characterize biomaterials, this findings must be integrated by information relative to mechanical aspects and in vitro and in vivo behavior thanks to collaborations with biomedical engineers and biologists. This study was focussed on three different systems that correspond to three different strategies adopted in Tissue Engineering: biomimetic replica of fibrous 3-D structure of extracellular matrix (PCL-PLLA), incorporation of an apatitic phase similar to bone inorganic phase to promote biomineralization (PCL-HA), surface modification with synthetic oligopeptides that elicit the interaction with osteoblasts. The characterization of the PCL-PLLA composite underlined that the degradation started along PLLA fibres, which are more hydrophylic, and they serve as a guide for tissue regeneration. Moreover it was found that some cellular lines are more active in the colonization of the scaffold. In the PCL-HA composite, the weight ratio between the polymeric and the inorganic phase plays an essential role both in the degradation process and in the biomineralization of the material. The study of self-assembling peptides allowed to clarify the influence of primary structure on intermolecular and intermolecular interactions, that lead to the formation of the secondary structure and it was possible to find a new class of oligopeptides useful to functionalize materials surface. Among the analytical techniques used in this study, Raman vibrational spectroscopy played a major role, being non-destructive and non-invasive, two properties that make it suitable to degradation studies and to morphological characterization. Also micro-IR spectroscopy was useful in the comprehension of peptide structure on oxidized titanium: up to date this study was one of the first to employ this relatively new technique in the biomedical field.

Biomimetic Materials for Biomedical Applications

Objects with complex shape and functions have always attracted attention and interest. The morphological diversity and complexity of naturally occurring forms and patterns have been a motivation for humans to copy and adopt ideas from Nature to achieve functional, aesthetic and social value. Biomimetics is addressed to the design and development of new synthetic materials using strategies adopted by living organisms to produce biological materials. In particular, biomineralized tissues are often sophisticate composite materials, in which the components and the interfaces between them have been defined and optimized, and that present unusual and optimal chemical-physical, morphological and mechanical properties. Moreover, biominerals are generally produced by easily traceable raw materials, in aqueous media and at room pressure and temperature, that is through cheap process and materials. Thus, it is not surprising that the idea to mimic those strategies proper of Nature has been employed in several areas of applied sciences, such as for the preparation of liquid crystals, ceramic thin films computer switches and many other advanced materials. On this basis, this PhD thesis is focused on the investigation of the interaction of biologically active ions and molecules with calcium phosphates with the aim to develop new materials for the substitution and repair of skeletal tissue, according to the following lines: I. Modified calcium phosphates. A relevant part of this PhD thesis has been addressed to study the interaction of Strontium with calcium phosphates. It was demonstrated that strontium ion can substitute for calcium into hydroxyapatite, causing appreciable structural and morphological modifications. The detailed structural analysis carried out on the nanocrystals at different strontium content provided new insight into its interaction with the structure of hydroxyapatite. At variance with the behaviour of Sr towards HA, it was found that this ion inhibits the synthesis of octacalcium phosphate. However, it can substitute for calcium in this structure up to 15 atom %, in agreement with the increase of the cell parameters observed on increasing ion concentration. A similar behaviour was found for Magnesium ion, whereas Manganese inhibits the synthesis of octacalcium phosphate and it promotes the precipitation of dicalcium phosphate dehydrate. It was also found that Strontium affects the kinetics of the reaction of hydrolysis of α-TCP. It inhibits the conversion from α-TCP to hydroxyapatite. However, the resulting apatitic phase contains significant amounts of Sr2+ suggesting that the addition of Sr2+ to the composition of α-TCP bone cements could be successfully exploited for its local delivery in bone defects. The hydrolysis of α-TCP has been investigated also in the presence of increasing amounts of gelatin: the results indicated that this biopolymer accelerates the hydrolysis reaction and promotes the conversion of α-TCP into OCP, suggesting that its addition in the composition of calcium phosphate cements can be employed to modulate the OCP/HA ratio, and as a consequence the solubility, of the set cement. II. Deposition of modified calcium phosphates on metallic substrates. Coating with a thin film of calcium phosphates is frequently applied on the surface of metallic implants in order to combine the high mechanical strength of the metal with the excellent bioactivity of the calcium phosphates surface layers. During this PhD thesis, thank to the collaboration with prof. I.N. Mihailescu, head of the Laser-Surface-Plasma Interactions Laboratory (National Institute for Lasers, Plasma and Radiation Physics – Laser Department, Bucharest) Pulsed Laser Deposition has been successfully applied to deposit thin films of Sr substituted HA on Titanium substrates. The synthesized coatings displayed a uniform Sr distribution, a granular surface and a good degree of crystallinity which slightly decreased on increasing Sr content. The results of in vitro tests carried out on osteoblast-like and osteoclast cells suggested that the presence of Sr in HA thin films can enhance the positive effect of HA coatings on osteointegration and bone regeneration, and prevent undesirable bone resorption. The possibility to introduce an active molecule in the implant site was explored using Matrix Assisted Pulsed Laser Evaporation to deposit hydroxyapatite nanocrystals at different content of alendronate, a bisphosphonate widely employed in the treatments of pathological diseases associated to bone loss. The coatings displayed a good degree of crystallinity, and the results of in vitro tests indicated that alendronate promotes proliferation and differentiation of osteoblasts even when incorporated into hydroxyapatite. III. Synthesis of drug carriers with a delayed release modulated by a calcium phosphate coating. A core-shell system for modulated drug delivery and release has been developed through optimization of the experimental conditions to cover gelatin microspheres with a uniform layer of calcium phosphate. The kinetics of the release from uncoated and coated microspheres was investigated using aspirin as a model drug. It was shown that the presence of the calcium phosphate shell delays the release of aspirin and allows to modulate its action.

Valutazione del ruolo dell'espressione di IRS-1 nel differenziamento osteoblastico di cellule di osteosarcoma ed MSCs

L’osteosarcoma (OS) è il tumore primitivo dell’osso più comune in età pediatrica e adolescenziale. L’OS è stato recentemente riconsiderato come una patologia da de-differenziamento, legata all’interruzione del processo cui vanno incontro i precursori osteoblastici, quali le cellule staminali mesenchimali (MSCs), per trasformarsi in osteoblasti maturi. Il sistema IGF è coinvolto nella regolazione della proliferazione e del differenziamento di cellule di OS. IRS-1 è un mediatore critico di tale via di segnalazione e il suo livello di espressione modula il differenziamento di cellule ematopoietiche. Lo scopo di questa tesi è stato quello di definire il ruolo di IRS-1 nel differenziamento osteoblastico di MSCs e cellule di OS. Il potenziale differenziativo di cellule di OS umano e murino e di MSCs derivate da midollo osseo è stato valutato tramite Alizarin Red staining e Real Time-PCR. Dai dati ottenuti è emerso come i livelli di espressione di IRS-1 diminuiscano durante il differenziamento osteoblastico. Conseguentemente, i livelli di espressione di IRS-1 sono stati manipolati utilizzando shRNA per down-regolare l’espressione della proteina o un plasmide per sovra-esprimerla. Sia la down-regolazione sia la sovra-espressione di IRS-1 hanno inibito il differenziamento osteoblastico delle linee cellulari considerate. Allo scopo di valutare il contributo di IRS-1 nella via di segnalazione di IGF-1R è stato utilizzato l’inibitore di tale recettore, αIR-3. Anche in questo caso è stata osservata una riduzione della capacità differenziativa. L’inibitore del proteasoma MG-132 ha portato ad un aumento dei livelli di IRS-1, portando nuovamente all’inibizione del differenziamento osteoblastico e suggerendo che l’ubiquitinazione di questa proteina potrebbe avere un ruolo importante nel mantenimento di appropriati livelli di espressione di IRS-1. I risultati ottenuti indicano la criticità dei livelli di espressione di IRS-1 nella determinazione della capacità differenziativa sia di cellule di OS umano e murino, sia delle MSCs.

Studio della patogenesi di HIV-1 nel compartimento osseo: effetti della terapia antiretrovirale convenzionale e nuovi approcci all'eradicazione

L’obiettivo della tesi è studiare il virus HIV-1 in relazione alle alterazioni sistemiche, riscontrate nel paziente HIV-infetto, in particolare alterazioni a carico del sistema scheletrico, indotte dal virus o dall’azione dei farmaci utilizzati nella terapia antiretrovirale (HAART). L’incidenza dell’osteoporosi nei pazienti HIV-positivi è drammaticamente elevata rispetto alla popolazione sana. Studi clinici hanno evidenziato come alcuni farmaci, ad esempio inibitori della proteasi virale, portino alla compromissione dell’omeostasi ossea, con aumento del rischio fratturativo. Il nostro studio prevede un follow-up di 12 mesi dall’inizio della HAART in una coorte di pazienti naïve, monitorando diversi markers ossei. I risultati ottenuti mostrano un incremento dei markers metabolici del turnover osseo, confermando l’impatto della HAART sull’omeostasi ossea. Successivamente abbiamo focalizzato la nostra attenzione sugli osteoblasti, il citotipo che regola la sintesi di nuova matrice ossea. Gli esperimenti condotti sulla linea HOBIT mettono in evidenza come il trattamento, in particolare con inibitori della proteasi, porti ad apoptosi nel caso in cui vi sia una concentrazione di farmaco maggiore di quella fisiologica. Tuttavia, anche concentrazioni fisiologiche di farmaci possono regolare negativamente alcuni marker ossei, come ALP e osteocalcina. Infine esiste la problematica dell’eradicazione di HIV-1 dai reservoirs virali. La HAART riesce a controllare i livelli viremici, ciononostante diversi studi propongono alcuni citotipi come potenziali reservoir di infezione, vanificando l’effetto della terapia. Abbiamo, perciò, sviluppato un nuovo approccio molecolare all’eradicazione: sfruttare l’enzima virale integrasi per riconoscere in modo selettivo le sequenze LTR virali per colpire il virus integrato. Fondendo integrasi e l’endonucleasi FokI, abbiamo generato diversi cloni. Questi sono stati transfettati stabilmente in cellule Jurkat, suscettibili all’infezione. Una volta infettate, abbiamo ottenuto una significativa riduzione dei markers di infezione. Successivamente la transfezione nella linea linfoblastica 8E5/LAV, che porta integrata nel genoma una copia di HIV, ha dato risultati molto incoraggianti, come la forte riduzione del DNA virale integrato.

Role of the Transcription Factor Sox2 in the Osteogenic Lineage

The Sox2 transcription factor is modified by sumoylation at the K247 position although the addition of SUMO1 and Pias1 promotes the sumoylation of Sox2 at the additional K123 site. The role of sumoylation on Sox2 biological functions was analyzed by comparing the activity of WT and sumoylation mutants on the transcription of the FGF4 gene in HeLa cells and on the downregulation of the Wnt pathwayvin 293T cells. When SUMO1 and PIAS1 promote the sumoylation of WT Sox2, the transcriptional activity of the FGF4 promoter is inhibited showing that Sox2 sumoylation is necessary for the repression function. However, there is no effect of Sox2 sumoylation on β-Catenin activity. Since we were interested in osteoblast differentiation we set up an inducible system for Sox2 in primary osteoblasts. Following Sox2 doxycycline induction, 158 genes were differentially expressed: 120 up-regulated and 38 down-regulated. We annotated as direct Sox2 targets a number of genes involved in osteoblast biology and we further analyzed 3 of them involved in the BMP pathway. The results show that Sox2 regulates the BMP pathway without affecting SMAD phosphorylation, and that Sox2 sumoylation is not necessary for this function. We also found that genes involved in the Hippo pathway were direct Sox2 targets. As the Hippo pathway is activated by Sox2 and Sox2 interacts with the NF2 promoter, we checked the effect of Sox2 on the expression of NF2. We showed that Sox2 down-regulates the transcriptional activity of the NF2 promoter, allowing the transcription of the YAP/TEAD genes in osteoblasts, thus acting as an upstream regulator of the Hippo pathway. We conclude that Sox2 induction in osteoblasts triggers FGF dependent inhibition of the BMP, Wnt and Hippo pathways.

Patogenesi molecolare delle osteomieliti associate all'impianto

L’osteomielite associata all’impianto è un processo infettivo a carico del tessuto osseo spesso accompagnato dalla distruzione dell’osso stesso. La patogenesi delle osteomieliti associate all’impianto si basa su due concetti fondamentali: l’internalizzazione del patogeno all’interno degli osteoblasti e la capacità dei batteri di formare il biofilm. Entrambi i meccanismi consentono infatti di prevenire l’eliminazione del batterio da parte delle difese immunitarie dell’ospite e di ostacolare l’azione della maggior parte degli antibiotici (che non penetrano e non agiscono pertanto su microrganismi intracellulari), così sostenendo ed alimentando l’infezione. Il saggio di invasione messo a punto su micropiastra ha consentito di investigare in modo approfondito e dettagliato il ruolo ed il peso dell’internalizzazione nella patogenesi delle infezioni ortopediche peri-protesiche causate da S. aureus, S. epidermidis, S. lugdunensis ed E. faecalis. Lo studio ha evidenziato che l’invasione delle cellule MG-63 non rappresenta un meccanismo patogenetico delle infezioni ortopediche associate all’impianto causate da S. epidermidis, S. lugdunensis ed E. faecalis; al contrario, in S. aureus la spiccata capacità invasiva rappresenta un’abile strategia patogenetica che consente al patogeno di sfuggire alla terapia sistemica e alla risposta immunitaria dell’ospite. È stato studiato inoltre il ruolo dell’immunità innata nella difesa contro il biofilm batterico. In seguito all’incubazione del biofilm opsonizzato di S. epidermidis con i PMN è stato possibile osservare la formazione delle NETs. Le NETs rappresentano ottime armi nella difesa contro il biofilm batterico, infatti le trappole sono in grado di limitare la diffusione batterica e quindi di confinare l’infezione. La comprensione del ruolo dell’internalizzazione nella patogenesi delle osteomieliti associate all’impianto e lo studio della risposta immunitaria innata a questo tipo di infezioni, spesso caratterizzate dalla presenza di biofilm, sono presupposti per identificare e affinare le migliori strategie terapeutiche necessarie ad eradicare l'infezione.

Identificazione dei meccanismi molecolari responsabili del ruolo oncosoppressivo della molecola CD99 nell'osteosarcoma

CD99, glicoproteina di membrana codificata dal gene MIC2, è coinvolta in numerosi processi cellulari, inclusi adesione, migrazione, apoptosi, differenziamento e regolazione del trafficking intracellulare di proteine, in condizioni fisiologiche e patologiche. Nell’osteosarcoma risulta scarsamente espressa ed ha ruolo oncosoppressivo. L’isoforma completa (CD99wt) e l’isoforma tronca (CD99sh), deleta di una porzione del dominio intracellulare, influenzano in modo opposto la malignità tumorale. In questo studio, comparando cellule di osteosarcoma caratterizzate da differenti capacità metastatiche e diversa espressione di CD99, abbiamo valutato la modulazione dei contatti cellula-cellula, la riorganizzazione del citoscheletro di actina e la modulazione delle vie di segnalazione a valle del CD99, al fine di identificare i meccanismi molecolari regolati da questa molecola e responsabili del comportamento migratorio e invasivo delle cellule di osteosarcoma. L'espressione forzata di CD99wt induce il reclutamento di N-caderina e β-catenina a livello delle giunzioni aderenti ed inibisce l'espressione di molecole cruciali nel processo di rimodellamento del citoscheletro di actina, come ACTR2, ARPC1A, Rho-associated, coiled–coil-containing protein kinase 2 (ROCK2), nonché di ezrina, membro della famiglia ezrin/radixin/moesin e chiaramente associata con la progressione tumorale e la metastatizzazione dell’OS. Gli studi funzionali identificano ROCK2 come mediatore fondamentale nella regolazione della migrazione e della diffusione metastatica dell’osteosarcoma. Mantenendo cSRC in una conformazione inattiva, CD99wt inibisce la segnalazione mediata da ROCK2 inducendo una diminuzione dell’ezrina a livello della membrana accompagnata dalla traslocazione in membrana di N-caderina e β-catenina, principali ponti molecolari per il citoscheletro di actina. La ri-espressione di CD99wt, generalmente presente negli osteoblasti, ma perso nelle cellule di osteosarcoma, attraverso l'inibizione dell'attività di cSrc e ROCK2, aumenta la forza di contatto e riattiva i segnali anti-migratori ostacolando l’azione pro-migratoria, altrimenti dominante, dell’ezrina nell’osteosarcoma. Abbiamo infine valutato la funzione di ROCK2 nel sarcoma di Ewing: nonostante il ruolo oncogenico esercitato da CD99, ROCK2 guida la migrazione cellulare anche in questa neoplasia.