Biomateriali per la somministrazione di vaccini per la terapia immuno-oncologica

Il cancro è una delle principali cause di morte al mondo. Nel 2019, solo negli Stati Uniti, i nuovi casi di cancro sono stati 1.762.450 con 606.880 decessi. Ad oggi, sono numerosi gli studi interdisciplinari in atto aventi come fine ultimo quello di trovare una cura per il cancro più efficiente ed efficace di quelle tradizionali. La seguente trattazione descrive una soluzione che coniuga le conoscenze mediche del campo immuno-terapico con quelle ingegneristiche del settore dei biomateriali. Nello specifico, vengono analizzati scaffold e nanoparticelle biomateriali utilizzati per la somministrazione di vaccini contro il cancro. Gli obiettivi principali, infatti, risultano essere il raggiungimento di una memoria immunitaria, per contrastare metastasi e ricadute, e la diminuzione degli effetti collaterali che i pazienti oncologici sono costretti a sopportare sottoponendosi alle terapie convenzionali. I risultati mostrano dati molto promettenti, poiché l’utilizzo combinato dei biomateriali con fattori caratterizzanti il sistema immunitario permette di ottenere vaccini somministrabili in maniera sicura, seppur le indagini cliniche per molte tipologie di cancro siano ancora in atto.

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.

Progettazione, Sintesi e Caratterizzazione di nanoparticelle a base di HSA-MnO2 per la terapia multimodale del cancro

Una strategia promettente per potenziare l’efficacia di un trattamento antitumorale limitandone gli effetti collaterali sistemici e i fenomeni di resistenza, è quella di combinare, all’interno di un nanoveicolo, l’azione sinergica/additiva di diversi trattamenti terapeutici, come ad esempio la terapia fotodinamica (PDT) e l’immunoterapia. In questo lavoro di tesi sono state preparate nanoparticelle multimodali altamente biodegradabili e biocompatibili, a base di albumina umana (HSA) caricate con un pro-farmaco del paclitaxel (PTX), un agente chemioterapeutico approvato per il trattamento di diversi tumori solidi; una molecola fotosensibile, IR780, che illuminata a una specifica lunghezza d'onda, induce la formazione di specie radicaliche dell'ossigeno (ROS) e ossigeno di singoletto (1O2), in grado di uccidere le cellule malate; ed infine con Indoximod (IND), in grado di inibire un checkpoint immunitario, con azione indiretta sull’enzima indoleamine 2,3-dioxygenase (IDO-1). Le nanoparticelle sono poi state rivestite con un guscio di MnO2, per limitare l’ipossia caratteristica dell’ambiente tumorale, potenziando così l’azione citotossica. Le nanoparticelle ottenute sono state caratterizzate in termini di dimensioni, capacità di loading, stabilità in acqua e in ambiente fisiologico. Inoltre, mediante spettroscopia UV-vis, è stata studiata la capacità dell’IR780 di produrre specie reattive all’ossigeno (ROS). In futuro, saranno studiati i fenomeni di rilascio dei diversi agenti dalle nanoparticelle e sarà verificato se la presenza dell’ossido di manganese sia in grado di migliorare l’ossigenazione del microambiente tumorale.

Sintesi di nanoparticelle polimeriche basate su acido(D,L-lattico-co-glicolico) per applicazioni in nanomedicina

Questo lavoro di tesi rientra nel progetto europeo SaveMe, al quale partecipa il gruppo di ricerca del dipartimento di chimica organica nel quale ho svolto l’attività di tirocinio. Obiettivo finale di tale progetto è la sintesi di nanoparticelle a base di PLGA (acido poli(D,L-lattico-co-glicolico)) superficialmente funzionalizzate con biomolecole, per l’impiego nel trattamento e nella diagnosi del cancro al pancreas. L’obiettivo da raggiungere nel primo anno di ricerca per il mio gruppo era la sintesi delle nanoparticelle centrali (core nanosystems). Nel presente lavoro sono quindi riportati i metodi di sintesi di polimeri derivati da PLGA e suoi copolimeri con PEG (polietilenglicole) aventi vari gruppi funzionali terminali: acidi idrossamici, amminici e acidi carbossilici. I polimeri sintetizzati sono stati caratterizzati tramite test colorimetrici qualitativi, 1H-NMR, 13C-NMR, spettrometria IR e TGA. Sono state sintetizzate nanoparticelle polimeriche (PNPs), con le tecniche Oil/Water (O/W) e nanoprecipitazione (NP), basate sui polimeri ottenuti, aventi quindi funzioni acide, idrossamiche ed amminiche sulla superficie. Su queste PNPs è stato effettuata una decorazione superficiale con nanoparticelle metalliche di maghemite (CAN-Maghemite). Le nanoparticelle polimeriche sono state caratterizzate tramite DLS e delle PNPs decorate sono state ottenute immagini TEM. Sono riportati inoltre i test di viabilità cellulare delle nanoparticelle ottenute.

Peptidi autoassemblanti per la produzione di scaffold nell'ingegneria tissutale

L’argomento trattato in questo elaborato riguarda la natura e le applicazioni di una nuova classe di biomateriali: i peptidi auto-assemblanti. La perdita di funzione di un organo o di un tessuto rappresenta una problematica rilevante sia sotto il profilo clinico sia per i costi di gestione. I trapianti sono infatti tra le terapie più sofisticate e onerose economicamente, complicate da altri aspetti quali una strutturale insufficienza di donatori e la necessità che i soggetti trapiantati vengano sottoposti cronicamente a regimi terapeutici immunosoppressivi che aumentano eventuali effetti collaterali. La terapia sostitutiva basata su organi artificiali è invece gravata dalla durata limitata dei dispositivi, nonchè da un non trascurabile rischio infettivo. La medicina rigenerativa, che sembra essere una soluzione adeguata per ovviare a tutte queste problematiche, è un settore emergente che combina aspetti della medicina, della biologia cellulare e molecolare, della scienza dei materiali e dell’ingegneria al fine di rigenerare, riparare o sostituire i tessuti danneggiati. In questo panorama, il ruolo dei biomateriali sta diventando sempre più importante grazie alla loro varietà e alle loro funzioni emergenti. Tra i biomateriali innovativi più promettenti troviamo i peptidi auto-assemblanti. Dopo un'introduzione sui principi dell'ingegneria tissutale, la tesi si focalizza sui peptidi auto-assemblanti e sulle loro applicazioni in campo biomedico, ponendo l'attenzione, in particolar modo, sulla realizzazione di scaffold per la rigenerazione del tessuto osseo, cardiaco, cartilagineo e nervoso, e sulla loro applicazione per il rilascio controllato di farmaci.

La biomimetica dello scaffold nell'ingegneria tissutale dell'osso

Ogni giorno nel mondo vengono eseguite migliaia di procedure chirurgiche per sostituire o riparare tessuti che sono stati danneggiati da malattie o traumi. L'ingegneria tissutale rappresenta una strategia alternativa che mira a rigenerare i tessuti danneggiati combinando cellule e biomateriali altamente porosi che fungano da impalcature (scaffolds). In questa tesi compilativa si presenta un approccio recentemente proposto per la rigenerazione del tessuto osseo. Saranno inizialmente descritte caratteristiche e proprietà dell'osso a livello macro e microscopico e il processo riparativo fisiologico. Si illustreranno quindi i principi dell'ingegneria tissutale, evidenziando i biomateriali utilizzabili, le cellule indicate per la rigenerazione e i rapporti funzionali tra di esse e lo scaffold che deve sostenerne la crescita. Successivamente si descriverà il concetto di ‘biomimetica’ dello scaffold e i metodi impiegati per migliorarne la funzionalità, imitando sia l'aspetto meccanico sia quello biologico della reale matrice ossea; verrà trattato infine un caso di scaffold biomimetico realizzato con nanocompositi, che appare un promettente sostitutivo dell'osso.

Scaffold biocompatibile ottenuto da copoliestere multiblocco del PBS per applicazioni nell'ingegneria tissutale del miocardio

L'ingegneria tissutale è una branca delle scienze biomediche che negli ultimi anni si sta sviluppando come mezzo risolutivo per numerose problematiche mediche. Un'applicazione di particolare importanza è il trattamento di patologie cardiovascolari, le quali sono una delle principali cause di morte nel mondo. La mancanza di tessuto autologo e i problemi legati alle terapie cardiache, hanno incentivato numerosi studi basati sulla ricerca di biomateriali adeguati alla realizzazione di tessuti sintetici sostitutivi. In questo ambito, il polibutilene succinato (PBS) riveste sicuramente un ruolo importante. La sua biocompatibilità insieme alla biodegradabilità, non sono però sufficienti a renderlo idoneo ad applicazioni miocardiche, a causa dell’elevata rigidità. Allo scopo di migliorare le proprietà meccaniche del PBS nell’ottica di un’applicazione nel campo della rigenerazione del tessuto cardiaco, ma senza andare a detrimento delle proprietà già buone, il presente lavoro di Tesi propone un nuovo copolimero a base di PBS. Tale materiale è stato ottenuto tramite reazione di estensione di catena di un blocco hard (PBS) e un blocco soft (costituito da un copolimero statistico P(BSNS)). Il materiale ottenuto è stato analizzato sia sottoforma di film che di scaffold. Dopo una prima caratterizzazione molecolare (1H-NMR e GPC), il copolimero multiblocco è stato sottoposto anche ad analisi termica (DSC e TGA), diffrattometrica (WAXS) e meccanica. Si è evidenziato un miglioramento della stabilità termica e soprattutto una diminuzione del modulo elastico unitamente all’aumento dell’allungamento a rottura, in particolare nello scaffold. E’ stata inoltre valutata la velocità di degradazione idrolitica, evidenziandone una riduzione rispetto all’omopolimero. I risultati ottenuti confermano il miglioramento delle proprietà non soddisfacenti del PBS, indicando il copolimero multiblocco, oggetto della presenti Tesi, come materiale più idoneo alle applicazioni sopracitate.

Specifiche generali dei biomateriali di interesse per l'ingegneria dei tessuti del distretto uterino

Lo scopo di questa trattazione è quello di fornire una panoramica sui metodi di ingegnerizzazione dell’utero ad oggi sperimentati. L’obiettivo degli studi qui analizzati è quello di creare in vitro uno scaffold per l’utero umano con adeguate caratteristiche strutturali e determinati componenti al fine di permettere ai tessuti vicini di rigenerarsi e per poterne studiare le proprietà in vivo. Gli scaffold analizzati sono a base di collagene, fatti di materiali sintetici o costituiti dalle dECM. Per effettuare la decellularizzazione delle ECM sono stati impiegati detergenti come SDS e Triton X-100 o alta pressione idrostatica. Le impalcature realizzate sono state poi valutate per quanto riguarda le proprietà istologiche, IHC, strutturali e meccaniche e tramite angiografia è stata esaminata la conservazione delle reti vascolari negli scaffold dECM. I risultati hanno confermato l'efficacia del protocollo di decellularizzazione tramite HHP o l’utilizzo combinato di SDS e Triton X-100 per fornire scaffold dell’utero con caratteristiche e componenti della ECM simili all'utero nativo. Per quanto riguarda i materiali sintetici, i polimeri sono risultati particolarmente idonei date le loro caratteristiche, quali elevata porosità e proprietà biomeccaniche regolabili; per i materiali naturali invece, il collagene è stato quello più utilizzato e che ha portato ad ottimi risultati, anche in quanto componente principale dell’ECM. Gli studi in vivo hanno poi dimostrato la biocompatibilità e il potenziale rigenerativo degli scaffold e hanno suggerito un percorso di segnalazione come meccanismo di base per il processo rigenerativo. Tra i vari studi è stato analizzato anche il primo protocollo di decellularizzazione efficiente basato sulla perfusione per ottenere scaffold dell’intero utero umano. I risultati raccolti potrebbero essere impiegati in futuri studi di ingegneria del tessuto uterino umano che potrebbero portare allo sviluppo di nuovi trattamenti per pazienti sterili.

Scaffold piezoelettrici in PVDF/PCL per la rigenerazione del tessuto nervoso periferico

Le lesioni del sistema nervoso periferico, causate da eventi traumatici o da patologie degenerative, costituiscono un danno che può portare alla perdita di specifiche funzionalità motorie o sensoriali. In questi casi, la terapia chirurgica è necessaria per riparare la perdita di continuità assonale. Il gold standard operatorio attuale è costituito dal trapianto nella sede lesionata di un nervo da donatore o dallo stesso soggetto affetto dal danno. Recentemente, un approccio basato su tecniche di ingegneria dei tessuti propone l’impianto di biomateriali modellati come condotti che favoriscano la rigenerazione assonale. Ne è un esempio chiaro un recente lavoro di ricerca, nel quale Cheng et al. propongono una strategia basata sull’impiego di scaffold piezoelettrici prodotti attraverso una tecnica di "casting annealing displacement " che utilizza Polivinilidenfluoruro (PVDF) e Policaprolattone (PCL). Confrontando in vitro scaffold in PCL, in PVDF e PCL/PVDF, in particolare analizzandone le proprietà piezoelettriche e quelle meccaniche, si rilevano i vantaggi della copolimerizzazione. Questi risultati di interesse vengono inoltre confermati dai risultati funzionali ottenuti con l’impianto in vivo in topi con una lesione di 15 mm al nervo sciatico.

Fabbricazione mediante elettrofilatura di scaffold compositi per il trattamento di difetti ossei

Nel mio elaborato di tesi dal titolo “Fabbricazione mediante elettrofilatura di scaffold compositi per il trattamento di difetti ossei” tratto la fisiologia del tessuto osseo, le cellule che lo compongono, i danni che esso può subire e il processo di riparazione spontaneo che si attua in caso di lesioni. Analizzo quindi differenti tipologie di frattura e le terapie chirurgiche e non-chirurgiche attualmente disponibili, con un occhio di riguardo nei confronti dell’ingegneria dei tessuti - che intende riparare il tessuto danneggiato mediante l’impianto di costrutti bioibridi costituiti da cellule a bordo di scaffold realizzati con biomateriali adeguati. In quest’ottica presento quindi un lavoro di ricerca pubblicato recentemente da Yuwono et al., nel quale viene presentato uno scaffold composito elettrofilato, caratterizzato da nanofibre polimeriche e caricato con particelle di idrossiapatite, che viene proposto come un eccellente candidato all’utilizzo in terapia.

Growth Factor Stimulation Improves The Structure And Properties Of Scaffold-free Engineered Auricular Cartilage Constructs.

The reconstruction of the external ear to correct congenital deformities or repair following trauma remains a significant challenge in reconstructive surgery. Previously, we have developed a novel approach to create scaffold-free, tissue engineering elastic cartilage constructs directly from a small population of donor cells. Although the developed constructs appeared to adopt the structural appearance of native auricular cartilage, the constructs displayed limited expression and poor localization of elastin. In the present study, the effect of growth factor supplementation (insulin, IGF-1, or TGF-β1) was investigated to stimulate elastogenesis as well as to improve overall tissue formation. Using rabbit auricular chondrocytes, bioreactor-cultivated constructs supplemented with either insulin or IGF-1 displayed increased deposition of cartilaginous ECM, improved mechanical properties, and thicknesses comparable to native auricular cartilage after 4 weeks of growth. Similarly, growth factor supplementation resulted in increased expression and improved localization of elastin, primarily restricted within the cartilaginous region of the tissue construct. Additional studies were conducted to determine whether scaffold-free engineered auricular cartilage constructs could be developed in the 3D shape of the external ear. Isolated auricular chondrocytes were grown in rapid-prototyped tissue culture molds with additional insulin or IGF-1 supplementation during bioreactor cultivation. Using this approach, the developed tissue constructs were flexible and had a 3D shape in very good agreement to the culture mold (average error <400 µm). While scaffold-free, engineered auricular cartilage constructs can be created with both the appropriate tissue structure and 3D shape of the external ear, future studies will be aimed assessing potential changes in construct shape and properties after subcutaneous implantation.

Graphene Oxide: A Carrier For Pharmaceuticals And A Scaffold For Cell Interactions.

During the last ten years, graphene oxide has been explored in many applications due to its remarkable electroconductivity, thermal properties and mobility of charge carriers, among other properties. As discussed in this review, the literature suggests that a total characterization of graphene oxide must be conducted because oxidation debris (synthesis impurities) present in the graphene oxides could act as a graphene oxide surfactant, stabilizing aqueous dispersions. It is also important to note that the structure models of graphene oxide need to be revisited because of significant implications for its chemical composition and its direct covalent functionalization. Another aspect that is discussed is the need to consider graphene oxide surface chemistry. The hemolysis assay is recommended as a reliable test for the preliminary assessment of graphene oxide toxicity, biocompatibility and cell membrane interaction. More recently, graphene oxide has been extensively explored for drug delivery applications. An important increase in research efforts in this emerging field is clearly represented by the hundreds of related publications per year, including some reviews. Many studies have been performed to explore the graphene oxide properties that enable it to deliver more than one activity simultaneously and to combine multidrug systems with photothermal therapy, indicating that graphene oxide is an attractive tool to overcome hurdles in cancer therapies. Some strategic aspects of the application of these materials in cancer treatment are also discussed. In vitro studies have indicated that graphene oxide can also promote stem cell adhesion, growth and differentiation, and this review discusses the recent and pertinent findings regarding graphene oxide as a valuable nanomaterial for stem cell research in medicine. The protein corona is a key concept in nanomedicine and nanotoxicology because it provides a biomolecular identity for nanomaterials in a biological environment. Understanding protein corona-nanomaterial interactions and their influence on cellular responses is a challenging task at the nanobiointerface. New aspects and developments in this area are discussed.

Mesenchymal Stem Cells Engrafted In A Fibrin Scaffold Stimulate Schwann Cell Reactivity And Axonal Regeneration Following Sciatic Nerve Tubulization.

The present study investigated the effectiveness of mesenchymal stem cells (MSCs) associated with a fibrin scaffold (FS) for the peripheral regenerative process after nerve tubulization. Adult female Lewis rats received a unilateral sciatic nerve transection followed by repair with a polycaprolactone (PCL)-based tubular prosthesis. Sixty days after injury, the regenerated nerves were studied by immunohistochemistry. Anti-p75NTR immunostaining was used to investigate the reactivity of the MSCs. Basal labeling, which was upregulated during the regenerative process, was detected in uninjured nerves and was significantly greater in the MSC-treated group. The presence of GFP-positive MSCs was detected in the nerves, indicating the long term survival of such cells. Moreover, there was co-localization between MSCs and BNDF immunoreactivity, showing a possible mechanism by which MSCs improve the reactivity of SCs. Myelinated axon counting and morphometric analyses showed that MSC engrafting led to a higher degree of fiber compaction combined with a trend of increased myelin sheath thickness, when compared with other groups. The functional result of MSC engrafting was that the animals showed higher motor function recovery at the seventh and eighth week after lesion. The findings herein show that MSC+FS therapy improves the nerve regeneration process by positively modulating the reactivity of SCs.

Cell Therapy Attenuates Cardiac Dysfunction Post Myocardial Infarction: Effect of Timing, Routes of Injection and a Fibrin Scaffold

Background: Cell therapy approaches for biologic cardiac repair hold great promises, although basic fundamental issues remain poorly understood. In the present study we examined the effects of timing and routes of administration of bone marrow cells (BMC) post-myocardial infarction (MI) and the efficacy of an injectable biopolymer scaffold to improve cardiac cell retention and function. Methodology/Principal Findings: (99m)Tc-labeled BMC (6x10(6) cells) were injected by 4 different routes in adult rats: intravenous (IV), left ventricular cavity (LV), left ventricular cavity with temporal aorta occlusion (LV(+)) to mimic coronary injection, and intramyocardial (IM). The injections were performed 1, 2, 3, or 7 days post-MI and cell retention was estimated by gamma-emission counting of the organs excised 24 hs after cell injection. IM injection improved cell retention and attenuated cardiac dysfunction, whereas IV, LV or LV* routes were somewhat inefficient (< 1%). Cardiac BMC retention was not influenced by timing except for the IM injection that showed greater cell retention at 7 (16%) vs. 1, 2 or 3 (average of 7%) days post-MI. Cardiac cell retention was further improved by an injectable fibrin scaffold at day 3 post-MI (17 vs. 7%), even though morphometric and function parameters evaluated 4 weeks later displayed similar improvements. Conclusions/Significance: These results show that cells injected post-MI display comparable tissue distribution profile regardless of the route of injection and that there is no time effect for cardiac cell accumulation for injections performed 1 to 3 days post-MI. As expected the IM injection is the most efficient for cardiac cell retention, it can be further improved by co-injection with a fibrin scaffold and it significantly attenuates cardiac dysfunction evaluated 4 weeks post myocardial infarction. These pharmacokinetic data obtained under similar experimental conditions are essential for further development of these novel approaches.

Novel guidance cues during neuronal pathfinding in the early scaffold of axon tracts in the rostral brain

A scaffold of axons consisting of a pair of longitudinal tracts and several commissures is established during early development of the vertebrate brain. We report here that NOC-2, a cell surface carbohydrate, is selectively expressed by a subpopulation of growing axons in this scaffold in Xenopus. NOC-2 is present on two glycoproteins, one of which is a novel glycoform of the neural cell adhesion molecule N-CAM. When the function of NOC-2 was perturbed using either soluble carbohydrates or anti-NOC-2 antibodies, axons expressing NOC-2 exhibited aberrant growth at specific points in their pathway. NOC-2 is the first-identified axon guidance molecule essential for development of the axon scaffold in the embryonic vertebrate brain.