Ingegneria tissutale cardiovascolare

Responsabile

Maurizio Pesce
Pesce

L’Unità ha come obiettivo lo sviluppo di sistemi per ingegnerizzare tessuti cardiovascolari mediante un approccio interdisciplinare che considera la biologia di base delle cellule progenitrici presenti nel cuore, nelle valvole e nei vasi, e la fisiologia e la biofisica di questi organi. A questo scopo, vengono condotti esperimenti in condizioni biomeccaniche e metaboliche controllate in modo da poter correlare il comportamento cellulare alle possibili evoluzioni patologiche del sistema cardiovascolare e tradurre le informazioni acquisite in criteri di ingegnerizzazione del microambiente che favoriscano una corretta maturazione dei tessuti ricostituiti.

In parallelo, viene effettuato lo screening di nuovi materiali ‘intelligenti’ (smart materials) di origine naturale e sintetica per la creazione di ‘scaffolds’ tridimensionali da seminare in modo controllato con cellule progenitrici primarie derivate direttamente dai tessuti umani, e quindi produrre tessuti ingegnerizzati per impianti valvolari, vascolari e miocardici.

L’impostazione di ricerca ha una forte componente di trasferibilità clinica, i progetti sono disegnati in modo da poter applicare in tempo reale le nuove conoscenze al miglioramento dei sistemi di cura attualmente disponibili con soluzioni di alto impatto tecnologico.

Progetti

  • Meccanotrasduzione cellulare e patologie valvolari, vascolari e cardiache

    Background. Il cuore, i vasi e le valvole cardiache sono organi in movimento, e soggetti continuamente all’ azione delle forze meccaniche. Il cuore, ad esempio, batte per circa tre miliardi di volte in media nella vita umana. Per lo stesso numero di volte le valvole cardiache vanno incontro a cicli di apertura e chiusura e le arterie sono soggette alle forze emodinamiche. In aggiunta ai movimenti ciclici imposti dalla fisiologia di questi organi, forze meccaniche di portata micrometrica o nanometrica hanno una importante funzione di controllo dell’omeostasi cellulare, assicurando un efficiente sistema di riparazione e rigenerazione in caso di danni meccanici o ischemici.

    Obiettivi. Scopo di questo progetto è l’analisi dei meccanismi di trasduzione del segnale e di controllo dell’espressione genica associati alla stimolazione meccanica che le cellule ricevono nel microambiente cardiaco, valvolare e vascolare. Con questo obiettivo, ci si propone di rivelare l’importanza della meccanobiologia nel controllo dell’omeostasi, del riparo e della rigenerazione dei tessuti cardiovascolari e di evidenziarne possibili modificazioni in condizioni patologiche. Esempi sono gli studi, in parte già pubblicati da questa Unità, nei quali sono state studiate le alterazioni della trasduzione meccano-percettiva che le cellule valvolari aortiche e mesenchimali cardiache hanno nel possibile sviluppo, rispettivamente, della stenosi valvolare e dello scompenso cardiaco. Un altro esempio è dato dallo studio dell’influenza dello stiramento meccanico ciclico sul controllo della proliferazione e del differenziamento delle cellule mesenchimali cardiache e vascolari, che vengono realizzate in coltura cellulare utilizzando bioreattori commerciali e/o micro-bioreattori (Lab-on-chips) sviluppati ad hoc (figura 1).

    Pesce 1

    Figura 1

    Pesce 2

    Progetto Valvola Vivente

    Background. Migliaia di nuovi pazienti ogni anno necessitano dell’impianto di protesi valvolari per curare le disfunzioni meccaniche delle valvole cardiache. Mentre le procedure per impiantare le protesi valvolari bioprostetiche si sono decisamente evolute con l’introduzione di approcci mini-invasivi (es. TAVI), le tecnologie che sono tutt’ora impiegate per la produzione dei tessuti inseriti in queste protesi non sono state ancora ottimizzate a tal punto da assicurarne una lunga durata, specialmente in pazienti di età inferiore ai 65 anni. Infatti, i tessuti impiegati - generalmente pericardio di origine bovina o valvole di maiale, entrambi trattate con fissativi aldeidici - non sono tessuti viventi e, quindi, non possiedono le capacità di autoriparazione del tessuto nativo. Ne consegue che queste protesi vanno incontro, in una porzione significativa di casi, a deterioramento strutturale con conseguente necessità di re-intervento.

    Obiettivi. Nell’ambito del progetto ‘Valvola Vivente’, l’Unità si propone di produrre tessuto valvolare introducendo le cellule che sono naturalmente deputate al rinnovo dei lembi delle valvole (le cosiddette cellule valvolari interstiziali) all’interno di ‘scaffolds’ tridimensionali (3D) prodotti con nuovi materiali ‘intelligenti’ (smart materials) di sintesi, o con metodi avanzati di decellularizzazione (figura 2) del pericardio bovino. A differenza di altri approcci attualmente seguiti, questo obiettivo verrà realizzato attraverso sistemi di perfusione dinamica (bioreattori) in grado di veicolare le cellule nei costrutti in modo altamente controllabile e riproducibile.

    Per quanto riguarda il primo approccio (polimeri sintetici), sono stati identificati, mediante un sistema di analisi di tipo high-throughput, nuovi polimeri di sintesi che permettono di coltivare le cellule interstiziali della valvola aortica umana con caratteristiche native. Questi polimeri, attualmente in fase di copertura brevettuale, verranno destinati alla manifattura di scaffold tridimensionali per la semina delle cellule interstiziali della valvola aortica e la generazione di un tessuto valvolare che ricapitoli la geometria nativa dei lembi valvolari (figura 2).

    Pesce 3

    Figura 2

    Pesce 4

    Figura 3

    Per quanto riguarda il secondo approccio, è stata ideata una procedura avanzata di decellularizzazione controllata di ‘patches’ di pericardio di origine animale. Il tessuto decellularizzato così ottenuto è stato seminato con cellule valvolari interstiziali umane mediante un sistema di perfusione dinamica, un bioreattore in grado di indurre trasporto di massa attraverso un tessuto compatto. Questa procedura permetterà di generare tessuto pericardico ingegnerizzato ad uso valvolare che potrebbe superare il limite strutturale e di biocompatibilità delle valvole bioprostetiche attuali (figura 3). Anche questa tecnologia è in fase di valutazione per copertura brevettuale.


    Arterializzazione del bypass aortocoronarico venoso

    Background. Una porzione significativa di pazienti con ischemia cronica del cuore riceve chirurgicamente condotti vascolari autologhi, denominati ‘bypass’ aorto-coronarici, che permettono di ripristinare la perfusione cardiaca a valle delle occlusioni coronariche non trattabili con terapie di rivascolarizzazione percutanea. I vasi autologhi convenzionalmente impiegati sono vasi arteriosi (esempio, arteria radiale e mammaria) o condotti venosi (vena safena). Nonostante l’impiego di condotti arteriosi sia prevalente e preferito, l’uso della vena safena è, e resterà nel prossimo futuro, una opzione per l’impianto in sede coronarica, per la sua lunghezza, accessibilità e facilità di impianto (figura 4). Purtroppo, per cause non acora del tutto chiarite, i segmenti di vena impiantati in sede coronarica vanno incontro a un progressivo restringimento, causato dalla proliferazione incontrollata di cellule muscolari lisce all’interno dello strato sotto intimale del vaso.

    In studi precedenti, è stato mostrato che i cambiamenti nelle forze emodinamiche cui i condotti vascolari vanno incontro a partire da pochi minuti dopo il loro impianto in sede coronarica giocano un ruolo cruciale nel processo di rimodellamento maladattativo.

    Obiettivi. Date queste evidenze, l’Unità si propone di investigare i meccanismi molecolari associati al cambiamento delle forze emodinamiche nei bypass venosi impiantati in sede coronarica e di tradurre i risultati in procedure di pre-trattamento ex-vivo dei segmenti di vena autologa con farmaci ed effettori molecolari in grado di limitare l’occlusione dei bypass a medio e lungo termine. I risultati fin qui ottenuti hanno permesso di rivelare vie di trasduzione del segnale coinvolte nell’attivazione delle cellule residenti nel vaso. Questi studi sono ad oggi in fase preclinica.

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    Figura 4

migliori pubblicazioni negli ultimi 3 anni

    • Santoro R, Consolo F, Spiccia M, Piola M, Kassem S, Prandi F, Vinci MC, Forti E, Polvani G, Fiore GF, Soncini M, Pesce M. Feasibility of pig and human-derived aortic valve interstitial cells seeding on fixative-free decellularized animal pericardium. J. Biomed. Mat. B – Appl. Biomat 2016, 104(2):345-356.
    • Ugolini GS, Rasponi M, Pavesi A, Santoro R, Kamm R, Fiore G., Pesce M, Soncini M. On-chip assessment of human primary cardiac fibroblasts proliferative responses to uniaxial cyclic mechanical strain. Biotechnol Bioeng 2016,113(4):859-69.
    • Piola M, Prandi F, Bono N, Soncini M, Penza E, Agrifoglio M, Polvani GL, Pesce M, Fiore GB. A compact and automated ex-vivo vessel culture system for the pulsatile pressure conditioning of human saphenous veins. J. Tissue Eng. Regen. Med 2016,10(3):E204-15
    • Gubernator M, Slater SC, Spencer HL, Spiteri I, Sottoriva A, Riu F, Rowlinson J, Avolio E, Katare R, Mangialardi G, Oikawa A, Reni C, Campagnolo P, Spinetti G, Touloumis A, Tavaré S, Prandi F, Pesce M, Hofner M, Klemens V, Emanueli C, Angelini G ,Madeddu P. The epigenetic profile of human adventitial progenitor cells correlates with therapeutic outcomes in a mouse model of limb ischemia. Arterioscl. Thromb. Vasc. Biol 2015,35(3):675-88.
    • Prandi F, Piola M, Soncini M, Colussi C, D’ Alessandra Y, Penza E, Agrifoglio M, Vinci MC, Polvani GL , Gaetano G, Fiore GB, Pesce M. Adventitial vessel growth and progenitor cells activation in an ex vivo culture system mimicking human saphenous vein wall strain after coronary artery bypass grafting. PLoS ONE 2015; 10(2): e0117409.

Staff

  • Rosaria Santoro, Postdoctoral Fellow
    Matthijs Steven Ruiter, Postdoctoral Fellow
    Tanja Glorioso, Research Fellow
    Gloria Garoffolo, Research Fellow
    Francesco Amadeo, Research Fellow
    Valeria Mastrullo, Research Fellow