Biomateriali polimerici per cornea artificiale

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1 Biomateriali polimerici per cornea artificiale

2 Cosa è la cornea? La cornea è una membrana trasparente convessa anteriormente che costituisce la porzione anteriore della tonaca fibrosa del bulbo oculare e rappresenta la lente più potente dell'apparato visivo. Assieme al cristallino forma il diottro oculare. Nel complesso forma il 7% della superficie dell'occhio esterno.

3 Cosa è la cornea? Ha uno spessore "normale" al centro di poco superiore a mezzo millimetro ( µ) e, vista anteriormente ha una forma leggermente ellittica con il diametro maggiore orizzontale lungo 11,7 mm contro i 10,6 mm del diametro minore e un diametro variabile dal limbo dov'è più spessa (0,67 mm) della porzione centrale e più anteriore, la più sottile (0,52 mm).

4 Struttura della cornea Nonostante la cornea sia trasparente e sembri non avere una certa consistenza, in realtà è composta da gruppi organizzati di cellule e proteine. A differenza della grande maggioranza dei tessuti nel corpo, la cornea non contiene vasi sanguini per proteggere o alimentarla. Invece, la cornea viene alimentata dalle lacrime e dall umore acqueo (un fluido che si trova nella parte anteriore dell occhio). Il tessuto corneale consiste da 5 stratti basici, ognuno con una funzione specifica.

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6 Struttura della cornea Epitelio È la regione più esterna della cornea ed è circa il 10% in totale. Ha due funzioni principali: 1. Bloccare il passagio di materili straneo dentro l occhio 2. Avere una superficie liscia che permetta l assorbimento di ossigeno e dei nutrienti, per poi distribuirlo in tutte le altre zone della cornea. È una zona molto sensibile ed è composta da cellule epiteliali che si distribuiscono su quello che viene conosciuto come la membrana base.

7 Struttura della cornea Stratto Bowman È un tessuto trasparente che si trova subito dopo la membrane base. È composta da fibre proteiche chiamate collageno. Se viene danneggiata puo guarire tramite la formazioni di cicatrici che però possono portare alla Perdita della vision. Stroma È il 90% dello spessore di tutta la cornea. Si trova sotto lo stratto di Bowman. È composta al 78% di acqua, mentre il 16% è collageno. Permette alla cornea di essere elastica, forte e inoltre le da la forma. La forma unica del collageno, la sua distribuzione e lo spaziamento sono essenziali per la conduzione della luce nella cornea.

8 Struttura della cornea Membrana di Descemet È uno strato di tessuto che serve di barriera per porteggere da infezioni e da ferite. Anche qua c è la presenza di fibre di collgaeno che però sono diverse sa quelle presenti nello stroma (proveniente da cellule endolietali). Si rigenera facilmente. Endotelio È stremamente sottile ed è lo strato piu interno della cornea. Serve a tenere la chiarezza della cornea. Normalmente, i fluidi penetrano fino allo stroma. La funzione principale dell endotelio è eliminare l eccesso di liquidi (altrimenti l accumulo di liquidi porterebbe ad avere uno stroma opaco). È impossibile rigenerare le cellule endoteliali e una volta distrutte si può avere perfino la perdita della visione. L unica possibilità è operare.

9 Tipi di trapianti Non è necessario in tutti i casi avere il trapianto di tutta la cornea. A seconda del tipo di danno che si ha, c è: 1. Trapianto penetrante di cornea: Si ha il trapianto di tutti gli strati. 2. Trapianto lamellare di cornea: Si ha il trapianto di solo alcuni strati. Si divide in trapianto lamellare posteriore che consiste sostanzialmente nel Descemet's Stripping Automated Endothelial Keratoplasty (DSAEK) o Descemet's Membrane Endothelial Keratoplasty (DMEK).C è anche il trapianto lamellare anteriore per sostituire gli strati piu esterni. Nel caso il danno sia localizzato, conviene un trapianto lamellre invece di uno penetrante.

10 Prime prove con materiali alternativi La ricerca per lo sviluppo di biomateriali è iniziata nel 1949 con i materiali disponibili all epoca. Fra i primi materiali utilizzati è stato il plexiglass. Cèra però il problema di sviluppo di necrosi e di rifiuto del pezzo (a causa del blocco dello scambio metabolico derivante dalla membrane impermeabile). Negli anni 60 si ha provato con impianti di silicone. In questo modo è stato possibile sistemare alcuni dei problemi ma hanno dato origine ad altri.

11 Prime prove con materiali alternativi L uso di biomateriali è stato testato per la prima volta nel 1989, utilizzando collageno proveniente dalla placenta umana e trattata con degli aldeidi. I risultati sono stati promettenti. Il vero sviluppo di questi materiali non è stato però rilevantefino agli anni 90 con l utilizzo di differenti tipi di collageno. I trapianti però iniziavano a dare problemi dopo due anni dall operazione. Di là è partita la ricerca per la stabilizzazione delle protesi di collageno.

12 Cornea artificiale e cornea biosintetica Tessuto proveniente da donatori è la scelta per eccelenza. Tuttavia in casi in cui questo non sia possibile, si può avere l utilizzo di materiali artificiali per i trapianti di cornea. Le cornee artificiali sono conosciute come keratoprotesi o K-pro e sono fatte da materiali biologicamente inerti. Sono utilizzati in casi in cui il paziente soffre di: 1. malattia autoimmune severa 2. ustioni chimiche 3. mancanza di donatori umani 4. rifiuti a donazioni nel passato Un altra area di ricerca sono le cornee biosintetiche. Queste derivano da un gene umano che regola la produzione di collageno che può rigenerare e riparare il tessuto dannegiato dell occhio. Tuttavia questo è un campo di ricerca che è ancora poco svilupatto.

13 Biopolimeri basati su cheratina Cheratina proveniente da capelli o da lana viene utilizzata come scaffolf per la produzione di scaffolds per coltivazione cellulare o per la produzione di film. Il metodo consiste nello sviluppo di film trasparenti, stabili e trasferibili per il supporto di adesione cellulare e proliferazione. I film vengono ingegnierizzati in un processo multi-step che include l estrazione riduttiva di cheratina, dialisi neutra e alcalina, casting su una membrana idrofobica di PET per poi essere essicato. Questi poi vengono analizzati per determinare le proprietà (trasmissione della luce, proprietà meccaniche, assorbimento di acqua, swelling). Queste proprietà possono essere variate cambiando i contenuti proteici e cambiando T/tempo di essicamento. I materiali sviluppati dimostrano migliori caratteristiche rispetto i loro equivalenti fatti con membrana amniotica, ma senza compromettere il comportamento delle cellule in crescita.

14 Metodi per la costruzione dello scaffold Electrospinning di nanofibre di collageno: Soluzione fatta con collageno di tipo 1 per fare delle fibre con diametro iniziale fra nm. Poi viene addensata ulteriormente con più collageno. L elettrospinning si fa a 4-9 kv con una portata in uscita di ml/h. La durata (1,2 e 4 min) dell elettrospinning viene scelto per produrre dei monostratti di scaffolds allineati e non allineati con densita consistente. Per dare la forma, queste fibre vengono depositate su lastre di Cu e quarzo.

15 Metodi per la costruzione dello scaffold Gli scaffolds possono anche essere preparati gelificando in modo laminare il collageno dopo riscaldamento a 40ºC, e poi trattando con luce UV per tutta la notte. In tutti i casi, gli scaffolds devono essere crosslinkati (di solito con glutaraldeide) per poi togliere il supporto sul quale si da la forma. Alla fine vengono lavati con acqua deionizzata (3 volte al giorno per 3 giorni) e trattata ulteriormente con UV. Su questi scaffold si riesce a far crescere fino a 5000 celle/cm 2. Tuttavia il tipo collageno utilizzato puo influenzare il comportamento delle cellule, perché a seconda del substrato utilizzato si possono avere risposte citotossiche o infiammatore da parte delle cellule.

16 Metodi per la costruzione dello scaffold Un altra possibilità è lo sviluppo di spugne o film come scaffolds.

17 Metodi per la costruzione dello scaffold Quindi bisogna non solo studiare il materiale in se, ma anche come uno scaffold fatto in un certo modo reagisce con un certo tipo di cellula (il che vuol dire che la composizione chimica del subtrato influenza il comportamento delle cellule). Un altro parametro importante è l allineamento delle fibre. La topografia del materiale può andare ad influenzare come le cellule crescono sullo scaffold (ricevono un segnale diverso durante la proliferazione), soprattutto la trasparenza.

18 Metodi per la costruzione dello scaffold In alcuni casi, lo scaffold viene utilizzato per rigenerare la cornea in laboratorio per poi essere trapiantata. In altri casi, lo scaffold viene inserito nell occhio per poi avere la crescita delle cellule in situ. I materiali sviluppati come supporto devono essere otticamente trasparenti, biocompatibili, meccanicamente stabili e devono permettere alle cellule di aderirsi, poliferare e migrare.

19 Alternative con polimeri sintetici Queste alternative sono state proposte per eliminare alcuni degli inconvenienti presenti negli scaffolds a base di collageno (ritiro dimensionale e rapida degradazione). 1. Una delle proposte è l uso di biopoliesteri, che sono sia biodegradabili che biocompatibili [Poly(l-lactide-co-d,llactide) (70/30) and poly(hydroxybutyric acid-co-3- hydroxyvaleric acid)]. 2. Polidimetilsilossano modificato con PEG per migliorare le proprietà.

20 Alternative con polimeri sintetici 3. Hydrogel di PVA crosslinkato con membrana amniotica. Tutti questi metodi però sono ancora in fase di sviluppo, non tanto per la difficolta di far crescere le cellule ma per problemi legati alla stabilità una volta sostituita la cornea.

21 Produzione a livello Industriale Cornea Biosciences is a division of LinCor Biosciences, Pte. Ltd.. The company was founded in 2011 and incorporated in Singapore with the express objective of furthering development of the bioengineered cornea, and providing this cornea to the millions of people unilaterally or bilaterally blind from corneal disease or injury and unable to obtain a corneal transplant due to a severe shortage of human donor corneas. The company s cornea is the result of ten years of research and development conducted at the University of Ottawa in Canada and Linkoping University in Sweden.

22 Produzione a livello Industriale THE TECHNOLOGY The bioengineered cornea is made from type III human collagen cross-linked with biopolymers, and has been tested for biocompatibility in animal models and human patients. THE SOLUTION Cornea Biosciences is helping to meet that need with its bioengineered corneas. The company s corneas are the result of over ten years of research conducted at the University of Ottawa, Canada and Linkoping University in Sweden. This type of cornea is made from Type III recombinant human collagen cross-linked with biopolymers, and has been extensively tested for biocompatability in rabbits, dogs, and pigs.

23 Produzione a livello Industriale After four years in a human clinical trial conducted in Sweden, the bioengineered cornea has shown a remarkable compatibility with no signs of rejection. This cornea behaves in many ways like a human cornea epithelial cells quickly regrow over the surface and cornea nerves regrow into the matrix of the cornea. Thus, patients report the sensation of touch is restored. The company s cornea is expected to have a minimal shelf life of six months; whereas, human cadaver corneas quickly deteriorate after 15 days. The new tissue engineered corneas will not replace human tissue rather they will be supplemental. As such, they could restore sight to millions of people who have suffered debilitating loss of vision due to corneal disease or injury. Many of these people will be able to once again lead normal, productive lives.

24 Bibliografia Biomaterials and Regenerative Medicine in Ophthalmology by Traian Chirila, Damien Harkin