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.

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.

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.

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.

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 (

Evaluation of bone strength: microtomographic tecniques

This thesis is a part of a larger study about the characterization of mechanical and histomorphometrical properties of bone. The main objects of this study were the bone tissue properties and its resistance to mechanical loads. Moreover, the knowledge about the equipment selected to carry out the analyses, the micro-computed tomography (micro-CT), was improved. Particular attention was given to the reliability over time of the measuring instrument. In order to understand the main characteristics of bone mechanical properties a study of the skeletal, the bones of which it is composed and biological principles that drive their formation and remodelling, was necessary. This study has led to the definition of two macro-classes describing the main components responsible for the resistance to fracture of bone: quantity and quality of bone. The study of bone quantity is the current clinical standard measure for so-called bone densitometry, and research studies have amply demonstrated that the amount of tissue is correlated with its mechanical properties of elasticity and fracture. However, the models presented in the literature, including information on the mere quantity of tissue, have often been limited in describing the mechanical behaviour. Recent investigations have underlined that also the bone-structure and the tissue-mineralization play an important role in the mechanical characterization of bone tissue. For this reason in this thesis the class defined as bone quality was mainly studied, splitting it into two sub-classes of bone structure and tissue quality. A study on bone structure was designed to identify which structural parameters, among the several presented in the literature, could be integrated with the information about quantity, in order to better describe the mechanical properties of bone. In this way, it was also possible to analyse the iteration between structure and function. It has been known for long that bone tissue is capable of remodeling and changing its internal structure according to loads, but the dynamics of these changes are still being analysed. This part of the study was aimed to identify the parameters that could quantify the structural changes of bone tissue during the development of a given disease: osteoarthritis. A study on tissue quality would have to be divided into different classes, which would require a scale of analysis not suitable for the micro-CT. For this reason the study was focused only on the mineralization of the tissue, highlighting the difference between bone density and tissue density, working in a context where there is still an ongoing scientific debate.

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.