Utilizzo dell'ipossia come stimolo per il differenziamento condrocitico di cellule staminali.

Date le sollecitazioni meccaniche alle quali è sottoposta, la cartilagine, soprattutto quella articolare, è facilmente danneggiabile e la mancanza di vascolarizzazione la rende un tessuto incapace di auto-rigenerarsi. Il fallimento della chirurgia tradizionale ha incentivato negli ultimi venti anni lo sviluppo di nuove tecniche di ingegneria tissutale che prevedono la rigenerazione del tessuto cartilagineo in vitro, e il suo successivo impianto nella zona lesionata. Generalmente si preferisce utilizzare cellule staminali mesenchimali adulte (MSCs), e il tessuto adiposo si è rivelata la fonte di estrazione più conveniente.Inoltre le ATSCs (Adipose Tissue Stem Cells) possono essere facilmente isolate dalla componente vasculo-stromale (SVF) del tessuto adiposo prelevata in seguito a un intervento di liposuzione: quindi, a differenza delle MSCs estratte da midollo osseo (BMSCs- Bone Marrow Stem Cells), la loro estrazione dal paziente richiede un intervento meno invasivo e meno rischioso. Il tessuto cartilagineo non è raggiunto dai vasi sanguigni, e la sua formazione nella fase embrionale avviene ad una concentrazione di O2 notevolmente inferiore a quella ambientale. Questo ha indotto gli studiosi a pensare che un ambiente ipossico possa non soltanto favorire il differenziamento condrogenico di cellule staminali in coltura, ma anche facilitare il mantenimento del fenotipo condrocitico, mimando l'ambiente fisiologico avascolare della cartilagine.Lo scopo di questa tesi è stato la messa a punto di un protocollo di coltura cellulare in condizioni di ipossia per indurre differenziamento condrogenico di ATSCs. La metodica standardizzata verrà impiegata in laboratorio per sviluppare la ricerca di base nello studio della rigenerazione della cartilagine.

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.

Studio di fase I sulla reinfusione intraepatica di cellule staminali CD 133+ altamente purificate nei pazienti con malattia epatica terminale

Numerose evidenze sperimentali hanno dimostrato il contributo delle cellule staminali di derivazione midollare nei processi di rigenerazione epatica dopo danno tissutale. E’ cresciuto pertanto l’interesse sul loro potenziale impiego in pazienti con cirrosi. Questo studio si propone di valutare la fattibilità e la sicurezza della reinfusione intraepatica di cellule staminali midollari autologhe CD133+ in 12 pazienti con insufficienza epatica terminale definita da un punteggio di Model for End Stage of Liver Disease (MELD) compreso tra 17 e 25. L’efficacia in termini di funzionalità epatica rappresenta un obiettivo secondario. Previa mobilizzazione nel sangue periferico mediante somministrazione di granulocyte-colony stimulating factor (G-CSF) alla dose di 7,5 mcg/Kg/b.i.d. e raccolta per leucoaferesi, le cellule CD133+ altamente purificate vengono reinfuse in arteria epatica a partire da 5x104/Kg fino a 1x106/kg. Nei tre giorni successivi si somministra G-CSF per favorire l’espansione e l’attecchimento delle cellule. Durante la mobilizzazione, la reinfusione e nei 12 mesi successivi i pazienti sono sottoposti a periodici controlli clinici, laboratoristici e strumentali e ad attenta valutazione di effetti collaterali. Lo studio è tuttora in corso e ad oggi, 11 pazienti sono stati sottoposti a reinfusione e 4 hanno completato i 12 mesi di follow-up. Il G-CSF è stato ben tollerato e ha consentito di ottenere una buona espansione cellulare. Dopo la reinfusione sono stati documentati un ematoma inguinale e due episodi transitori di encefalopatia portosistemica. Durante il follow-up 4 pazienti sono stati trapiantati e 2 sono morti. Non è stata osservata alcuna modificazione significativa degli indici di funzione epatica. Questi risultati preliminari confermano la possibilità di mobilizzare e reinfondere un numero adeguato di cellule staminali di derivazione midollare in pazienti con malattia epatica in stadio terminale.

Valutazione dell'efficacia dell'infusione intraepatica di cellule staminali (SC) autologhe CD133+ in pazienti affetti da cirrosi ed insufficienza epatica di grado avanzato

Numerose evidenze sperimentali hanno dimostrato il contributo delle cellule staminali (SC) di derivazione midollare nei processi di rigenerazione epatica dopo danno tissutale. E’ cresciuto pertanto l’interesse sul loro potenziale impiego in pazienti con cirrosi. Questo studio si proponeva di valutare la fattibilità e la sicurezza della reinfusione intraepatica di cellule staminali midollari autologhe CD133+ in 12 pazienti con insufficienza epatica terminale. Previa mobilizzazione nel sangue periferico mediante somministrazione di granulocyte-colony stimulating factor (G-CSF) alla dose di 7,5 mcg/Kg/b.i.d. e raccolta per leucoaferesi (solo se la concentrazione di CD133 + SC era > 8/μL), le cellule CD133+ altamente purificate sono state reinfuse in arteria epatica a partire da 5x104/Kg fino a 1x106/kg. Nei tre giorni successivi è stato somministrato G-CSF per favorire l’espansione e l’attecchimento delle cellule. Durante la fase della mobilizzazione e quella della reinfusione sono stati eseguiti saggi biologici quali: caratterizzazione fenotipica delle SC circolanti, saggi clonogenici, valutazione della concentrazione sierica del Hepatocyte Growth Factor (HGF), Stromal-Derived Factor-1 (SDF-1) ed il Vascular-Endotelial Growth Factor (VEGF) e caratterizzazione fenotipica delle CD133+SC purificate. Fino ad oggi sono stati reinfusi 12 pazienti. Questi dati preliminari suggeriscono che è possibile mobilizzare e reinfondere un numero considerevole di SC autologhe CD133+ altamente purificate in pazienti con ESLD . Gli studi biologici mostrano che: il numero di progenitori ematopoietici ed endoteliali circolanti è aumentato dopo il trattamento con G–CSF; le SCs CD133+ altamente purificato esprimono marcatori emopoietici ed endoteliali; la concentrazione sierica di HGF, SDF-1, VEGF e la capacità clonogenica di progenitori emopoietici sono aumentati durante la mobilitazione e nelle fasi di reinfusione; il potenziale clonogenico dei progenitori endoteliali mostra espressione variabile.

Prospettive dell'ingegneria tissutale per la produzione di tessuto tendineo e legamentoso

Il presente elaborato riassume un’analisi della letteratura scientifica corrente relativa all’approccio proposto dall’ingegneria tissutale per la sostituzione/rigenerazione del tessuto tendineo e legamentoso e analizza le fasi che conducono alla realizzazione di un costrutto con a bordo cellule specifiche. I tendini e i legamenti sono tessuti fibrosi specializzati che svolgono principalmente una funzione meccanica: i primi permettono la trasmissione delle forze dal muscolo all’osso per generare il movimento, i secondi invece garantiscono la stabilità tra le giunture ossee che collegano. Gravi lesioni di tali strutture sono associate all’insorgere di incombenti problematiche a livello motorio e la caratteristica peculiare di mancata rigenerazione spontanea ha indotto alla ricerca di fonti alternative per la loro ricostruzione. L’esperienza relativa alla preparazione e all’uso di innesti allogenici e xenogenici finalizzati alla rigenerazione tissutale mostrano una difficoltà nella coltura cellulare in vitro, una prolungata risposta infiammatoria in vivo, nonché dei tempi troppo lunghi per l’impianto. L’utilizzo di scaffold, ovvero supporti 3D realizzati con materiale sintetico (p.es. acido poliglicolico) o naturale (p.es. collagene) per ospitare la crescita di cellule adeguate, sembra un approccio alternativo promettente. In particolare, in questo documento sono state riassunte due esperienze di riparazione tissutale, ispirate alla strategia sopra indicata, per il recupero del tendine d’Achille e del legamento crociato anteriore (ACL) del ginocchio, due distretti affetti da lesioni di natura principalmente traumatica e caratterizzati da specifiche proprietà che devono essere soddisfatte in vitro e in vivo.

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.

Modelli matematici di cardiomiociti derivanti da cellule staminali: una nuova formulazione per riprodurre gli effetti proaritmici del blocco della corrente di potassio

I cardiomiociti derivanti da cellule staminali pluripotenti indotte (hiPSC-CMs) costituiscono un nuovo approccio per lo studio delle proprietà delle cellule cardiache sia degli individui sani che di quelli affetti da malattie ereditarie e possono rappresentare inoltre una piattaforma in vitro per la scoperta di nuovi farmaci e terapie rigenerative. Il grande impatto delle hiPSC-CMs nell’ambito della ricerca si deve soprattutto alle loro proprietà elettrofisiologiche: queste cellule non solo esprimono fenotipi genici e proprietà delle correnti ioniche tipiche delle cellule cardiache, ma sono anche in grado di riprodurre fenomeni aritmici, come le EAD, a seguito della somministrazione di farmaci. Grazie anche alla grande potenza di calcolo oggi disponibile è possibile supportare la pratica in vitro con modelli in silico, abbattendo sia i costi che i tempi richiesti dagli esperimenti in laboratorio. Lo scopo di questo lavoro è quello di simulare il comportamento delle hiPSC-CMs di tipo ventricolare in risposta alla somministrazione di farmaci che interagiscono con la corrente di potassio IKr, principale responsabile della ripolarizzazione cardiaca. L’assunzione di certi farmaci può comportare infatti una riduzione della IKr, con conseguente prolungamento della fase di ripolarizzazione del potenziale d’azione cardiaco. Questo meccanismo è causa dell’insorgenza della sindrome del QT lungo di tipo 2, che in casi estremi può degenerare in aritmie gravi. Ciò suggerisce che queste cellule rappresentano un importante strumento per la valutazione del rischio pro-aritmico che può essere facilitata da simulazioni in silico effettuate utilizzando modelli computazionali basati su dati fisiologici.

Il nucleotide extracellulare UTP: induzione della migrazione di cellule staminali emopoietiche CD34+

La letteratura scientifica degli ultimi anni si è arricchita di un numero sempre crescente di studi volti a chiarire i meccanismi che presiedono ai processi di homing di cellule staminali emopoietiche e del loro attecchimento a lungo termine nel midollo osseo. Tali fenomeni sembrano coinvolgere da un lato, l’interazione delle cellule staminali emopoietiche con la complessa architettura e componente cellulare midollare, e dall’altro la riposta ad un’ampia gamma di molecole regolatrici, tra le quali chemochine, citochine, molecole di adesione, enzimi proteolitici e mediatori non peptidici. Fanno parte di quest’ultimo gruppo anche i nucleotidi extracellulari, un gruppo di molecole-segnale recentemente caratterizzate come mediatori di numerose risposte biologiche, tra le quali l’allestimento di fenomeni flogistici e chemiotattici. Nel presente studio è stata investigata la capacità dei nucleotidi extracellulari ATP ed UTP di promuovere, in associazione alla chemochina CXCL12, la migrazione di cellule staminali umane CD34+. E’ così emerso che la stimolazione con UTP è in grado di incrementare significativamente la migrazione dei progenitori emopoietici in risposta al gradiente chemioattrattivo di CXCL12, nonché la loro capacità adesiva. Le analisi citofluorimetriche condotte su cellule migranti sembrano inoltre suggerire che l’UTP agisca interferendo con le dinamiche di internalizzazione del recettore CXCR4, rendendo così le cellule CD34+ maggiormente responsive, e per tempi più lunghi, al gradiente attrattivo del CXCL12. Saggi di homing competitivo in vivo hanno parallelamente mostrato, in topi NOD/SCID, che la stimolazione con UTP aumenta significativamente la capacità dei progenitori emopoeitci umani di localizzarsi a livello midollare. Sono state inoltre indagate alcune possibili vie di trasduzione del segnale attivate dalla stimolazione di recettori P2Y con UTP. Esperimenti di inibizione in presenza della tossina della Pertosse hanno evidenziato il coinvolgimento di proteine Gαi nella migrazione dipendente da CXCL12 ed UTP. Ulteriori indicazioni sono provenute dall’analisi del profilo trascrizionale di cellule staminali CD34+ stimolate con UTP, con CXCL12 o con entrambi i fattori contemporaneamente. Da questa analisi è emerso il ruolo di proteine della famiglia delle Rho GTPasi e di loro effettori a valle (ROCK 1 e ROCK 2) nel promuovere la migrazione UTP-dipendente. Questi dati sono stati confermati successivamente in vitro mediante esperimenti con Tossina B di C. Difficile (un inibitore delle Rho GTPasi) e con Y27632 (in grado di inibire specificatamente le cinasi ROCK). Nel complesso, i dati emersi in questo studio dimostrano la capacità del nucleotide extracellulare UTP di modulare la migrazione in vitro di progenitori emopoietici umani, nonché il loro homing midollare in vivo. L’effetto dell’UTP su questi fenomeni si esplica in concerto con la chemochina CXCL12, attraverso l’attivazione concertata di vie di trasduzione del segnale almeno parzialmente condivise da CXCR4 e recettori P2Y e attraverso il reclutamento comune di proteine ad attività GTPasica, tra le quali le proteine Gαi e i membri della famiglia delle Rho GTPasi.

Biomimetica per l'ingegneria tissutale dell'osso

Reconstruction of bone is needed for high bone loss due to congenital deformities, trauma or neoplastic diseases. Commonly, orthopaedic surgical treatments are autologus or allogenic bone implant or prosthetic implant. A choice to the traditional approaches could be represented by tissue engineering that use cells (and/or their products) and innovative biomaterials to perform bone substitutes biologically active as an alternative to artificial devices. In the last years, there was a wide improvement in biology on stem cells potential research and in biomedical engineering through development of new biomaterials designed to resemble the physiological tissues. Tissue engineering strategies and smart materials aim together to stimulate in vivo bone regeneration. This approaches drive at restore not only structure integrity and/or function of the original tissue, but also to induce new tissue deposition in situ. An intelligent bone substitute is now designed like not only a scaffold but also as carrier of regeneration biomolecular signals. Biomimetics has helped to project new tissue engineered devices to simulate the physiological substrates architecture, such extracellular matrix (ECM), and molecular signals that drive the integration at the interface between pre-existing tissue and scaffold. Biomimetic strategies want to increase the material surface biological activity with physical modifications (topography) o chemical ones (adhesive peptides), to improve cell adhesion to material surface and possibly scaffold colonization. This study evaluated the effects of biomimetic modifications of surgical materials surface, as poly-caprolattone (PCL) and titanium on bone stem cells behaviour in a marrow experimental model in vitro. Two biomimetic strategies were analyzed; ione beam irradiation, that changes the surface roughness at the nanoscale, and surface functionalization with specific adhesive peptides or Self Assembled Monolayers (SAMs). These new concept could be a mean to improve the early (cell adhesion, spreading..) and late phases (osteoblast differentiation) of cell/substrate interactions.

Purging e alte dosi di chemioterapia con reinfusione di cellule staminali autologhe in linfomi non Hodgkin follicolari resistenti/refrattari

In the era of monoclonal antibodies the role of autologous stem cell transplantation (ASCT) in the management of follicular lymphoma (FL) is still debated. To evaluate the safety and efficacy of myeloablative therapy with rescue of purged or unpurged harvests in FL pts. At our institution form 1997 to 2007 28 pts with refractory/resistant FL were eligible for ASCT. Before high dose therapy they received 2-3 cycles of CHOP-like regimen (ACOD), followed by Cyclophosphamide 4g/mq to mobilize the stem cells (SC). After SC collection the pts underwent 3 cycles of subcutaneous Cladribine at a daily dose of 0,14-0,10 mg/Kg for Day 1-5 every 3-4 weeks. The conditioning regimen was based on Mitoxantrone 60mg/mq + Melphalan 180 mg/mq, followed by SC re-infusion 24-hours later and G-CSF starting 24 hours after re-infusion. In 19 pts the SC underwent purging: in 10 harvests the CD34+ were selected by immunomagnetic beads, while in the other 9 pts, only Rituximab was used as “purging in vivo” agent. The remaining 9 pts received unpurged SC. Before ASCT 11 pts were in complete response (CR), 9 in partial response (PR) and 2 in stable disease. Two pts were not eligible for ASCT because of progressive disease (PD). The remaining 25 pts were eligible for ASCT. The engraftment was at a median of 11 days for leucocytes and 14 days for platelets (>20.000/mmc), with a delay of one day in the pts, who received purged SC. Grade 3-4 mucositis was described in 8 pts. During aplasia a 48% infection rate was reported, without differences between pts with purged or unpurged SC. One patient in CR presented myelodysplastic syndrome at 18 months from ASCT. After ASCT 22 pts were in CR, 2 in PR and one patient were not valuable, because died before response assessment. Nine pts in CR showed PD at a median time of 14 months from ASCT. With a median follow up of 5 years (range 2 months -10 years), 22 pts are alive and 11 (44%) in CR. Ten pts died, 5 for progressive disease and 5 for treatment-related causes; in particular 7 of them received in-vitro purged SC. Conclusions: Our chemotherapy regimen, which included the purine analogue Cladribine in the induction phase, seems safe and feasible. The high rate of CR reported and the sustained freedom from progression up to now, makes such modality of treatment a valid option principally in relapsing FL patients. In our experience, the addition of a monoclonal antibody as part of treatment confirms its role “in vivo purging” without observing an increased incidence of infection.

Ruolo delle cellule staminali mesenchimali in modelli cellulari e animali di nefropatia

Background. Mesenchymal stem cells (MSC) may be of value in regeneration of renal tissue after damage, however lack of biological knowledge and variability of results in animal models limit their utilization. Methods. We studied the effects of MSC on podocytes ‘in vitro’ and ‘in vivo’ utilizing adriamycin (ADR) as a model of renal toxicity. The ‘in vivo’ experimental approach was carried out in male Sprague Dawley rats (overall 60 animals) treated with different ADR schemes to induce acute and chronic nephrosis. MSC were given a) concomitantly to ADR in tail vein or b) in aorta and c) in tail vein 60 days after ADR. Homing was assessed with PKH26-MSC. Results. MSC rescued podocytes from apoptosis induced by ADR ‘in vitro’. The maximal effect (80% rescue) was obtained with MSC/Podocytes co-culture ratio of 1:1 for 72 hours. All rats treated with ADR developed nephrosis. In no case MSC modified the clinical parameters (i.e. proteinuria, serum creatinine, lipids) but protected the kidney from severe glomerulosclerosis when given concomitantly to ADR. Rats given MSC 60 days after ADR developed the same severe renal damage. Only few MSC were found in renal tubule-interstitial areas after 1-24 hours from injection and no MSC was detected in glomeruli. Conclusions. MSC reduced apoptosis of podocytes treated with ADR ‘in vitro’. Early and repeated MSC infusion blunted glomerular damage in chronic ADR nephropathy. MSC did not modify proteinuria and progression to renal failure, that implies lack of regenerative potential in this model.