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.

Alterazioni del metabolismo osseo e fratture vertebrali dopo trapianto di rene

Introduction:Persistent Hyperparathyroidism after transplantation (HPT),bone disease and vertebral fractures are an important clinical problem in renal transplant patients. Several factors such as renal osteodystrophy, immunosuppressive therapy, deficit/insufficiency Vitamin D may contribute to that.In literature are described different percentages of HPT, vertebral fractures and Osteoporosis/Osteopenia that may be due to the different therapy and to the different employ of steroid. We analyzed 90 patients who received a renal graft between 2005 e 2010. Patients and Methods: 44 male and 46 female. Average age 52,2± 10,1 years, follow-up 31,3±16,6 months, time on dialysis 37±29,6 months. Patients who had creatinine level greater than 2,5 mg/dl were excluded. Immunosuppressive therapy was based on basiliximab, steroids (1.6 to 2 mg/kg/day progressively reduced to 5 mg/day after 45 days from the transplantation) in all patients + calcineurin inhibitor+ mycophenolate mophetil/mycophenolic acid in 88,8% of patients or Everolimus± calcineurin inhibitor in the others. Patients were studied with X-ray of the spine, dual-energy-X-ray, PTH, 25(OH)VitD. Results: 41,1% had HPT; 41,1% had osteopenia at femoral neck and 36,7% at vertebral column; 16,7% had osteoporosis at femoral neck and 15,6% at vertebral column. 10 patients (11%) had vertebral fractures. Patients with normal bone mineral density, compared to those with osteoporosis/osteopenia, are more younger (average age 46,4±11,7 years vs 54.3±8,6); they have spent less time on dialysis (26,5±14,8 months vs 40,7±32,6) and they have values of 25(OH)VitD higher (22,1±7,6 ng/ml vs 17,8±8,5). Patients with vertebral fractures have values of 25(OH)VitD lowest (14,1±6,4 ng/ml vs 19,7±8,5) and they had transplant since more time (29,1±16,2 vs 48,1±8,7 months). There is a significant correlation between HPT and PTH pre transplantation; HPT and levels of VitD (p<0,05) Conclusion: Prevention of Bone disease and vertebral fractures after renal transplant includes: a)treatment before transplantation b)supplementation of vitamin D with cholecalciferol or calcidiol c)shorten the dialysis time.

Development of newly conceived biomimetic nano-structured biomaterials as scaffolds for bone and osteochondral regeneration

The present research thesis was focused on the development of new biomaterials and devices for application in regenerative medicine, particularly in the repair/regeneration of bone and osteochondral regions affected by degenerative diseases such as Osteoarthritis and Osteoporosis or serious traumas. More specifically, the work was focused on the synthesis and physico-chemical-morphological characterization of: i) a new superparamagnetic apatite phase; ii) new biomimetic superparamagnetic bone and osteochondral scaffolds; iii) new bioactive bone cements for regenerative vertebroplasty. The new bio-devices were designed to exhibit high biomimicry with hard human tissues and with functionality promoting faster tissue repair and improved texturing. In particular, recent trends in tissue regeneration indicate magnetism as a new tool to stimulate cells towards tissue formation and organization; in this perspective a new superparamagnetic apatite was synthesized by doping apatite lattice with di-and trivalent iron ions during synthesis. This finding was the pin to synthesize newly conceived superparamagnetic bone and osteochondral scaffolds by reproducing in laboratory the biological processes yielding the formation of new bone, i.e. the self-assembly/organization of collagen fibrils and heterogeneous nucleation of nanosized, ionically substituted apatite mimicking the mineral part of bone. The new scaffolds can be magnetically switched on/off and function as workstations guiding fast tissue regeneration by minimally invasive and more efficient approaches. Moreover, in the view of specific treatments for patients affected by osteoporosis or traumas involving vertebrae weakening or fracture, the present work was also dedicated to the development of new self-setting injectable pastes based on strontium-substituted calcium phosphates, able to harden in vivo and transform into strontium-substituted hydroxyapatite. The addition of strontium may provide an anti-osteoporotic effect, aiding to restore the physiologic bone turnover. The ceramic-based paste was also added with bio-polymers, able to be progressively resorbed thus creating additional porosity in the cement body that favour cell colonization and osseointegration.

Molecole bioattive naturali e sintetiche per la terapia di malattie da aumentato riassorbimento osseo

Le terapie convenzionali per le malattie da aumentato riassorbimento osseo sono limitate dalla tossicità sistemica, bassa biodisponibilità farmacologica e scarsa aderenza alle terapie. In questo studio sono stati considerati approcci terapeutici innovativi basati su composti naturali e sintetici. I) Valutazione dell'attività biologica di composti naturali. Evidenze sperimentali hanno dimostrato l’attività antiproliferativa ed antiapoptotica di piante della Medicina ayurvedica. Queste proprietà sono sfruttabili nel trattamento di malattie da aumentato riassorbimento osseo, come l'osteoporosi. Per chiarire i possibili effetti terapeutici di questi composti, sono stati studiati i decotti di Rubia cordifolia, Hemidesmus indicus, Emblica officinalis, ed Asparagus racemosus. Hemidesmis indicus si è dimostrato il più efficace. II) Valutazione dell'attività biologica di composti sintetici. I bisfosfonati (BP) sono farmaci capaci di legarsi alle superfici minerali ossee e all’idrossiapatite, nei siti di rimodellamento osseo. Poiché i BP inibiscono la funzione degli osteoclasti, sono convenzionalmente impiegati nel trattamento di malattie da aumentato riassorbimento osseo, come l'osteoporosi. Tuttavia, gli elevati costi e gli effetti collaterali legati alla somministrazione determinano una scarsa aderenza al trattamento condizionandone l’efficacia. Scopo di questo studio è stato quello di valutare l'attività biologica di BP chimicamente innovativi, meno tossici e sintetizzati con strategie catalitiche semplificate ed ecocompatibili, in modo da ridurre i costi di produzione. È stato valutato l’effetto citotossico e antiosteoclastico dei composti e confrontato con quello dei BP comunemente impiegati in clinica (neridronato, pamidronato e alendronato). I risultati sono stati considerati raggiunti qualora fossero identificati BP di nuova sintesi non citotossici e capaci di conservare almeno il 90% della capacità dei substrati di base di inibire il riassorbimento osseo. Tutti i composti di nuova sintesi sono risultati meno tossici del BP convenzionale, anche a concentrazioni più elevate ed i più efficaci sono stati un BP coniugato con acido biliare, un BP aromatico contenente azoto ed un BP alifatico contenente zolfo.

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.

Analisi dei meccanismi patogenetici alla base del danno vascolare Hiv-indotto

L'infezione da HIV-1 resta ancora oggi una delle principali problematiche nell'ambito della sanità mondiale, con circa 35 milioni di individui infetti in tutto il mondo. L'introduzione della terapia antiretrovirale combinata (cART) ha drasticamente modificato l’evoluzione di questa infezione, che da patologia a sviluppo terminale dopo alcuni anni dalla trasmissione, è diventata una patologia cronica con una lunga aspettativa di vita per i pazienti. Tuttavia, la cART non è in grado di eradicare l’infezione e nei pazienti HIV-infetti trattati è possibile notare un aumento della comparsa di comorbidità, tra le quali le più frequentemente riscontrate sono lesioni al sistema nervoso centrale, ai reni, al tessuto osseo, al fegato e al sistema cardiovascolare. I danni al sistema cardiocircolatorio derivano da una serie di concause virologiche, comportamentali, ambientali e farmacologiche che alterano la parete vascolare, il metabolismo dei lipidi e la regolazione della coagulazione, inducendo la formazione di lesioni strutturali di tipo aterosclerotico che sono alla base dell’aumentata incidenza di infarti, ictus e alterazioni del circolo osservabili nei pazienti HIV-positivi. Dalla recente letteratura è emerso come l’omeostasi del tessuto endoteliale sia regolata anche a livello delle cellule staminali mesenchimali (MSC) presenti nella parete vascolare. Per questo abbiamo voluto analizzare possibili effetti dell’infezione di HIV, delle sue proteine e di alcune molecole antiretrovirali sulla vitalità e sul differenziamento delle MSC purificate dalla parete arteriosa umana. I risultati ottenuti indicano come l’infezione da HIV e l’azione delle proteine gp120 e Tat attivino il meccanismo di apoptosi nelle MSC e una profonda alterazione nel differenziamento verso la filiera adipocitaria e verso quella endoteliale. Inoltre, alcune molecole ad azione antiretrovirale (in particolare specifici inibitori della proteasi virale) sono in grado bloccare il differenziamento delle MSC verso le cellule endoteliali. Dall’insieme di queste osservazioni emergono nuovi meccanismi patogenetici correlati al danno cardiovascolare riscontrato nei pazienti HIV-positivi.