Meccanobiologia in medicina rigenerativa

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1 LABORATORY OF BIOLOGICAL STRUCTURE MECHANICS Meccanobiologia in medicina rigenerativa Manuela T. Raimondi Dipartimento di Chimica, Materiali e Ingegneria Chimica Giulio Natta Politecnico di Milano

2 citoscheletro La meccanobiologia, scienza che studia la risposta biologica a stimoli meccanici, origina dal concetto di citoscheletro.

3 Proteine strutturali del citoscheletro

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5 Meccano-recettori di cellule endoteliali vascolari meccano-trasduzione chimica

6 Meccano-trasduzione fisica

7 La cellula, contraendosi in modo attivo, sonda le proprietà della matrice circostante attraverso la tensione del citoscheletro

8 Definition of regenerative medicine the process of creating living, functional tissues to repair or replace tissue or organ function lost due to age, disease, damage, or congenital defects. US National Institute of Health, 2006 Components that can be used in any combination to create a regenerative therapy: 1. Cells 2. Biomaterial scaffolds 3. Signals

9 Stati dinamici del tessuto formazione (morfogenesi) normale funzione (omeostasi) guarigione delle lesioni (riparo)

10 riparo tessutale fase 1: emorragia e sviluppo del coagulo (matrice temporanea), rilascio di agenti vasodilatatori da parte delle piastrine che richiamano neutrofili fase 2: migrazione di macrofagi, che richiamano cellule endoteliali e fibroblasti che formano il tessuto di granulazione fase 3: i fibroblasti producono collagene, i miofibroblasti fanno contrarre il tessuto che inizia a rimodellarsi ethesis.helsinki.fi

11 Miofibroblasti e meccano-regolazione del rimodellamento nel tessuto connettivo

12 medicalconnectivity.com Vacuum-assisted closure therapy (VAC)

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14 riparo del tessuto osseo dopo minuti dopo 48 h

15 dopo 2-12 g dopo mesi

16 Osteodistrazione di Ilizarov (Distraction osteogenesis) biotronicpulse.blogspot.com

17 purstem.eu Terapia cellulare basata sull impiego di cellule staminali autologhe

18 Ingegneria di interi organi biotechniques.com

19 Va chiarito il legame tra stimolazione e risposta biologica nelle cellule staminali

20 1) Conoscere i fattori del microambiente cellulare che influenzano i vari aspetti della risposta biologica

21 La nicchia staminale naturale support cells stem cells niche cells progenitor cells mature cells lineage commitment terminal differentiation

22 Native stem cell niches 20 µm 80 µm Hair follicle stem cell niche Neural stem cell niche

23 rigidezza del substrato micro/nano topografia micro/nano geometria isotropo a b c anisotropo cardiomiociti embrionali d staminali e staminali f neuronali mesenchimali Influenza delle forze intra-cellulari sul fenotipo cellulare

24 Hydrostatic pressure isotrope a b Cyclic deformation c anisotrope d e f Influenza delle forze extra-cellulari sul fenotipo cellulare

25 Anisotropia delle forze extra-cellulari osso muscolo tessuto fibroso cartilagine stroma tessuto neurale tessuto adiposo mantenimento della pluripotenza Anisotropia delle forze intra-cellulari

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27 1) Conoscere i fattori del microambiente cellulare che influenzano i vari aspetti della risposta biologica 2) Controllare tali fattori sulle cellule in coltura: - isotropia delle forze intra-cellulari - isotropia delle forze extra-cellulari - concentrazione di ossigeno

28 Controllo delle forze intra-cellulari 10 µm 20 µm Native mesenchymal stem cell niche (stem cell in green) Synthetic mesenchymal stem cell niche engineered by laser two-photon polymerisation in the SZ2080 photopolymer

29 3D rendering of confocal micrographs acquired on cell-populated niches (niche in orange, cell nuclei in blue, cell cytoskeleton in green)

30 Grazie!