Ingegneria e tecnologie biomediche
Dal baco da seta la proteina per la rigenerazione di tessuti organici

di Claudio Migliaresi

Biomateriali, ingegneria dei tessuti e tecnologie biomediche costituiscono uno dei settori di ricerca maggiormente sviluppati presso il Laboratorio di polimeri e compositi del Dipartimento di Ingegneria dei materiali.
Inizialmente diretta allo studio di materiali impiantabili che fossero biocompatibili (che non provocassero cioè “reazioni avverse sensibili” nel sito di impianto), la ricerca in campo internazionale e con essa quella del nostro laboratorio, di materiali atti a realizzare protesi impiantabili, è stata successivamente indirizzata verso materiali che, una volta impiantati, fossero in grado di stimolare reazioni volute. Negli ultimi anni la ricerca ha riguardato materiali in grado di stimolare la proliferazione cellulare e pertanto la rigenerazione del tessuto o dell’organo che essi temporaneamente vengono chiamati a sostituire. Quest’evoluzione ha portato a risultati che trovano applicazioni in molte necessità mediche e chirurgiche, quali la rigenerazione della pelle in pazienti ustionati e la rigenerazione di piccole quantità d’osso in pazienti con difetti all’apparato dentale o scheletrico, lasciando inoltre intravedere possibili sviluppi verso processi di rigenerazione guidata di difetti di maggiori dimensioni o complessità, o addirittura di organi.
Processi di tale natura, oggi comunemente chiamati di “ingegneria dei tessuti” - seguendo una definizione data dal National Science Foundation nel 1988 - richiedono che i materiali vengano utilizzati per ospitare colture di cellule che, moltiplicatesi e raggiunta una più o meno completa organizzazione tessutale in vitro, vengano poi impiantate nell’organismo dal quale sono state prelevate, o che essi siano in grado di attivare tale processo di proliferazione e riorganizzazione direttamente in vivo, in tempi idonei successivi all’impianto. Ambedue i processi garantiscono l’assenza di qualsiasi reazione immunitaria, che avviene quando un tessuto o un organo è trapiantato da un organismo animale all’altro, perché non introducono nell’organismo cellule estranee a sé stesso. In tale settore abbiamo ultimamente studiato le caratteristiche e l’abilità a stimolare processi d’ingegneria dei tessuti di materiali derivati da una proteina ricavata dalla seta filata dal baco da seta, la fibroina, con ricerche finanziate prima dall’ateneo di Trento e dal Consorzio per gli Studi Universitari di Verona, e successivamente dal MIUR, producendo risultati che hanno portato a domande di deposito di brevetti internazionali ed all’apertura di collaborazioni con importanti centri di ricerca italiani ed internazionali. Proprio in queste settimane stiamo perfezionando, presso la University of Connecticut, la domanda di brevetto USA di un gel di fibroina che possa essere iniettato in difetti di tessuti diversi per favorirne la rigenerazione. I campi d’applicazione sono molteplici: dalla rigenerazione di piccole mancanze di tessuto osseo nel caso di difetti paradontali, alla possibile stabilizzazione di protesi articolari (anca o ginocchio) in caso di riassorbimento (come spesso avviene) dell’osso che circonda la protesi, al riempimento ed alla rigenerazione di cavità derivanti da resezioni ossee per tumore, a necessità varie della chirurgia plastica e ricostruttiva. Prove di coltivazione di cellule in vitro, eseguite prima presso l’Università di Verona, poi presso l’Istituto di Patologia dell’Università di Mainz e presso gli Istituti Ortopedici Rizzoli, hanno ampiamente dimostrato che materiali diversi da noi prodotti a partire da questa proteina (films, reti, spugne, geli) posseggono tutti capacità di stimolo verso la proliferazione e l’attività cellulare di varie cellule (fibroblasti, cheratinociti, osteoblasti, cellule nervose, cellule endoteliali, epatociti…) costituenti di tessuti diversi (tessuto connettivo, pelle, osso, tessuto nervoso, rivestimento interno dei vasi sanguigni, fegato…). Recenti prove d’impianto, svolte presso gli Istituti Ortopedici Rizzoli, hanno evidenziato come geli di fibroina siano in grado di promuovere la proliferazione e l’attivazione degli osteoblasti, che in tempi rapidi sono in grado di riformare la matrice ossea mancante, ricostituendo tessuto osseo mineralizzato qualitativamente e quantitativamente simile al tessuto mancante o asportato.
E tutto ciò da una proteina prodotta da un insetto, noto ed allevato da millenni per utilizzarne la seta per tessuti, che la natura ha dotato della capacità di sintetizzare dalle foglie del gelso, di cui si ciba, peptidi con sequenze amminoacidiche favorevoli all’attivazione del metabolismo cellulare. Quello che il nostro laboratorio ha ricercato è come sia possibile ottenere da questi filamenti materiali con strutture diverse, inizialmente soltanto intuendo le capacità bioattive della proteina, suggerendo e provando in seguito quanto era stato intuito.
È possibile che nel giro di qualche anno da queste ricerche possano nascere iniziative industriali, in Italia o negli USA, grazie a strutture di promozione della ricerca delle quali il nostro ateneo da poco (ma comunque tra i primi in Italia) e l’University of Connecticut (da più tempo) hanno costituito.
La richiesta di materiali in grado di promuovere processi quali quello sopra descritto è ampia: la disponibilità di materiali capaci di interagire favorevolmente con l’ambiente biologico può portare a rilevanti futuri sviluppi in differenti settori delle tecnologie biomediche che potranno permettere di migliorare aspetti diversi della salute del mondo animale, ed in particolare dell’uomo.

Dipartimento di Ingegneria dei materiali Il Dipartimento di Ingegneria dei Materiali è stato istituito nel 1990 presso l’Università degli Studi di Trento dove, nel 1985, è stato attivato il primo corso di laurea in Ingegneria dei materiali in Italia. All’interno del Dipartimento vengono condotte ricerche nei diversi settori dell’ingegneria dei materiali. Costituiscono oggetto di studio i materiali ceramici, polimerici e compositi e le leghe metalliche. Di questi vengono studiate le possibili tecniche di produzione, le proprietà microstrutturali, le caratteristiche meccaniche, la resistenza alla corrosione e l’interazione con l’ambiente. Vengono altresì “progettati” nuovi materiali per particolari applicazioni innovative. Gran parte dell’attività del Dipartimento viene svolta in collaborazione con università e centri di ricerca sia nazionali che stranieri. Molti argomenti di ricerca corrispondono inoltre a progetti elaborati in collaborazione con aziende italiane ed estere. Direttore: Claudio Migliaresi Sede: Via Mesiano 77, I-38050 Trento e-mail: Dip.ing.materiali@ing.unitn.it http://www.ing.unitn.it/dim/

In alto: schema di un processo di rigenerazione di tessuti (ingegneria dei tessuti);
al centro: rete di fibroina utilizzabile per processi di rigenerazione tessutale;
sotto a sinistra: tessuto osseo ricostruito con l’iniezione di un gel di fibroina.