Il trattamento chirurgico nella ricostruzione dei difetti ossei dell’apparato scheletrico, causati da varie condizioni patologiche (traumatiche, tumorali, mobilizzazioni protesiche, ecc.), si giova frequentemente dell’impiego di trapianti ossei autologhi ed eterologhi. La richiesta di sostituti di osso è in continuo aumento mentre la disponibilità di donatori si dimostra insufficiente al fabbisogno mondiale. Sono peraltro note le problematiche relative all’uso degli innesti di tessuto osseo; i limiti nell’utilizzo degli autotrapianti sono legati alla morbilità del sito donatore, alla quantità limitata dell’innesto e al riassorbimento precoce (1), mentre per gli allotrapianti le problematiche da affrontare riguardano la risposta immunitaria e i rischi legati alla trasmissione di malattie (2). Pertanto si stanno studiando differenti alternative in grado di stimolare quei processi biologici necessari per ottenere una neo-apposizione ossea adeguata.
Sostituti ossei sintetici e nanotecnologie
In alternativa si sono utilizzati biomateriali a base di idrossiapatite (HydroxyApatite, HA) o fosfato tricalcico (TriCalcium Phosphate, TCP) che, a imitazione fisico-chimica della componente minerale dell’osso sono più o meno riassorbibili, osteoconduttivi e spesso scarsamente resistenti ma trovano applicazione con il presupposto di sostituire temporaneamente il segmento mancante e quindi essere a loro volta riassorbiti, mettendo a disposizione (passivamente) dell’organismo ioni calcio e fosforo favorenti la neo-osteogenesi. L’HA è un cristallo relativamente inerte e non riassorbibile, mentre il TCP più poroso e in genere subisce una biodegradazione entro 6 settimane dal suo impianto. L’HA raggiunge una resistenza meccanica molto elevata, mentre il TCP ha scarse qualità meccaniche. Generalmente la base è un fosfato di calcio bifasico, che combina il 40-60% di TCP con il 60-40% di HA, compromesso tra la resistenza meccanica e riassorbibilità.
Di grande interesse è l’approccio reso possibile dalle nuove nanotecnologie. In particolare ove la nanotecnologia fornisca i mezzi tecnici atti a riprodurre quanto in biologia avviene spontaneamente, si ha la realizzazione della “nanobiotecnologia”, che si giova dell’esempio di modelli viventi pre-esistenti per la realizzazione di sistemi artificiali “biologicamente inspirati”,
“autoassemblanti” e soprattutto dotati di proprietà biologiche finora impensabili e intelligenti.
In campo biomedico le prospettive sono molteplici e accattivanti e spaziano dalla realizzazione di nuovi strumenti diagnostici miniaturizzati a sistemi di somministrazione di farmaci e a nuove generazioni di tecniche di ingegneria tissutale. Anche il campo dei biomateriali prevede futuristiche prospettive. Dalla realizzazione di sistemi di superficie di rivestimento bioselettivi, a biomateriali sostitutivi dotati di specifiche proprietà superficiali in grado di modificare il proprio comportamento in relazione all’ambiente biologico all’interno del quale sono impiantate (bioattività, dismissione di farmaci, chemioterapici o fattori di crescita, tamponamento del PH) e quindi in un certo senso di funzioni variabili in grado di reagire all’ambiente esterno in modo
“intelligente” e interattivo.
Un ulteriore progresso potrebbe essere costituito dalla realizzazione di una nuova famiglia di biosostituti ossei a base di HA realizzati con tecnologia miniaturizzata a livello nanometrico mediante auto-assemblamento al fine di ottenere un materiale in HA con una conformazione fisica molto più simile al tessuto osseo naturale. Questo meccanismo di autoaggregazione non si discosta molto dal normale processo osteogenetico che avviene nell’organismo umano. Un approccio di questo tipo può essere realizzato partendo dall’unione dei due costituenti fondamentali dell’osso: HA e collagene per ottenere un HA/Col nucleata tramite il diretto autoassemblaggio spontaneo sul network collagenico precostituito, molto più simile al tessuto
osseo. L’obiettivo sarebbe quello di realizzare un sostituto dell’osso nanostrutturato prodotto mediante un approccio “biomimetico” con la premessa che i sistemi biologici producano informazioni a livello molecolare.
Fattori di crescita
Più di recente si è assistito all’utilizzo di sostanze biologicamente attive, di natura proteica, capaci di stimolare in maniera attiva la crescita ossea (osteoinducenti). Di qui l’introduzione nel mercato di una gamma di prodotti, definiti più o meno impropriamente “fattori crescita” tra i quali il PDGF (Platelet Derived Growth Factor) o PRP (Platelet Rich Plasma), le DBM (Demineralized Bone Matrix) e infine le BMP (Bone Morphogenetic Proteins); queste ultime sono le uniche dotate di comprovata efficacia sull’uomo. Di natura proteica, agiscono con meccanismo recettoriale a stimolare la chemiotassi, la differenziazione in senso osteogenico e la produzione di osso da parte di cellule osteogeniche loro precursori. L’azione è quindi limitata nel tempo e dose dipendente. Di queste solo la BMP-2 e BMP-7 sono state approvate e commercializzate per l’utilizzo nell’uomo.
Terapia genica e cellule staminali mesenchimali
La terapia genica in ortopedia e traumatologia ha avuto un notevole sviluppo nell’ultima decade, prospettando notevoli potenzialità di applicazione clinica nel trattamento di condizioni patologiche, quali le pseudoartrosi, i ritardi di consolidazione e le lesioni cartilaginee (3). La terapia genica può rappresentare una valida opzione terapeutica per stimolare la formazione ossea, dal momento che con questa tecnica uno specifico fattore osteogenico può essere rilasciato in uno specifico sito anatomico e indurre la produzione di proteine deputate all’osteogenesi. Uno dei possibili approcci clinici della terapia genica è quello ex-vivo, che si basa sul prelievo di una linea cellulare autologa che viene “modificata” con un fattore di crescita osteogenico e poi reimpiantata nel sito anatomico dove è richiesta la neoformazione ossea. A tal fine sono state spesso utilizzate con risultati molto incoraggianti linee cellulari multipotenti, come le cellule staminali mesenchimali derivate dal midollo osseo, modificate poi ex-vivo per l’espressione di vari fattori osteogenici appartenenti alla famiglia delle BMPs (4-5). Molte altre linee cellulari e tecniche di transduzione genica sono state testate e comparate per l’applicazione ex-vivo, ed è stato dimostrato che differenti tipi cellulari sono ugualmente utilizzabili e che i costrutti adenovirali difettivi rappresentano i vettori più appropriati ed efficienti per trasportare il fattore di crescita all’interno.
Gli approcci basati sulle cellule si basano principalmente su cellule staminali mesenchimali (Mesenchymal Stem Cell, MSC), che sono state ampiamente impiegate, in combinazione con appropriati scaffold osteoinduttivi/conduttivi (9,10). Le MSC sono cellule staminali multipotenti capaci di un ampio potenziale di differenziazione in senso mesenchimale. Le MSC si trovano nel midollo osseo e in altri organi o tessuti (grasso, muscoli, pelle, membrana sinoviale, tendini, ecc.) (11). I vantaggi delle MSC risiedono nella possibilità di isolamento e di espansione ex-vivo, preservando la loro plasticità e il potenziale di auto-rinnovamento. Su appropriata induzione in vitro, le MSC possono essere differenziate in senso osteogenico. È interessante notare che le MSC indifferenziate sono inclini all’influenza dell’ambiente, il che significa che possono subire una differenziazione osteogenica spontanea con inoculazione in vivo nel tessuto osseo (12). Questa caratteristica ne permette l’utilizzo sicuro in quanto non implica alcun tipo di induzione osteogenica ex vivo prima dell’inoculazione in vivo. Tuttavia, la produzione di MSC per uso clinico richiede strutture a prova di GMP (Good Manufacturing Practice) per la loro
amplificazione di coltura su larga scala ex vivo, in modo da ottenere la quantità necessaria per l’innesto osseo. Inoltre la loro presenza è diversa da soggetto a soggetto e varia notevolmente con l’età.
Conclusioni
La perdita ossea continua a rappresentare una sfida importante in chirurgia. Nonostante i progressi tecnologici, gli innesti ossei naturali continuano a essere i sostituti ossei più efficaci per sostituire le perdite ossee. Le alternative agli innesti ossei mancano di uno o più elementi (cellule osteogeniche e resistenza meccanica, fattori di crescita, osteoinduttività o osteoconduttività), che sono un prerequisito per la guarigione dell’osso. Inoltre la maggior parte dei sostituti ossei sono costosi o richiedono tecniche laboriose e spesso non sono validati dalla Medicina basata sulle evidenze (Evidence Based Medicine, EBM) e pertanto non sono raccomandabili per l’uso clinico.
I sostituti ossei ceramici sono la migliore alternativa agli innesti ossei, per sicurezza, efficacia e costi. BMP-2 e BMP-7 sono certificati EBM, per uso specifico, ma con costi elevati. Le tecniche di Tissue Engineering, di terapia genica e di cellule staminali mesenchimali sono promettenti, ma ancora lontane dalla diffusione clinica su larga scala.
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