OsteoBioSilico

Il Progetto

Il Progetto è co-finanziato dalla Regione Emilia Romagna (PROGETTI DI RICERCA SUI METODI ALTERNATIVI ALL'UTILIZZO DI ANIMALI AI FINI EDUCATIVI AI SENSI DELL’ART. 1, COMMA 2 TER DELLA L.R. 20/2002 E S.M).

L’utilizzo di biomateriali da impianto in chirurgia protesica e per osteosintesi ha rappresentato uno dei più grandi progressi della chirurgia ricostruttiva, migliorando la qualità della vita dei pazienti e la capacità di movimento, alleviando il dolore e permettendo un sano e migliore invecchiamento.
Nonostante gli indubbi successi, ad oggi si osservano ancora fallimenti, causati dalla mancanza di integrazione meccanica e biologica tra l’impianto ed il tessuto osseo ricevente o dall’insorgenza di infezioni. Per questi motivi, l’innovazione tecnologica porta al costante sviluppo di biomateriali multifunzionali, con superfici funzionalizzate bioattive e anti-infettive, in grado di contribuire attivamente ai processi di rigenerazione/riparazione, integrazione ed angiogenesi ostacolando il processo infiammatorio locale e lo sviluppo di infezioni.
I Dispositivi Medici (DM) che vengono a contatto con il corpo per periodi prolungati, quale un biomateriale protesico, sono soggetti a valutazione della biocompatibilità e della sicurezza, in accordo allo standard di riferimento internazionale: la Norma ISO 10993 “Valutazione biologica dei dispositivi medici”.
Tale norma prevede anche l’utilizzo di modelli in vivo con l’impianto osseo e la valutazione istologica ed istomorfometrica delle proprietà biologiche del DM a confronto con un materiale di riferimento clinico. Seguendo il principio delle 3Rs (Riduzione, Sostituzione e Affinamento) sugli animali utilizzati a fini sperimentali, si rende necessario sviluppare nuovi modelli preclinici alternativi affidabili per lo studio della osteointegrazione.

Principio delle 3R

Russell & Burch 1959

Nel 1959 W.M.S. Russell e R.L. Burch hanno proposto la cosiddetta regola delle 3R per ridurre l'impatto della sperimentazione sugli animali.
I concetti fondanti sono tre:

Replacement: sostituzione con metodi alternativi.
Reduction: riduzione del numero di animali.
Refinement: miglioramento delle condizioni degli animali.

Obiettivi

L'obiettivo principale del progetto è sviluppare modelli sperimentali in vitro per lo studio dell’osteointegrazione dei DM.
In particolare:

lo sviluppo e la validazione di modelli tessutali umani in vitro 3D di tessuto osseo
lo sviluppo ed utilizzo di modelli in silico per la predizione dell’effetto di micromovimenti sull’osteointegrazione

Inoltre, il progetto potrà formare giovani ricercatori sulle metodiche alternative per lo studio di DM da impianto nel tessuto osseo, sui modelli in silico predittivi delle proprietà biomeccaniche e dell’osteointegrazione, anche attraverso la divulgazione dei dati ottenuti in maniera trasversale agli obiettivi scientifici durante l’intera durata del progetto.

Modelli

Vitalità (Alamar Blue assay)

Immagine del modello in vitro 3D di osteointegrazione (sinistra) e risultati del saggio di vitalità effettuato ogni settimana dal tempo 0 (T0) a 13 settimane dall’inserimento del biomateriale (T13)

Modello in vitro di osteointegrazione 3D

In condizioni di sterilità, saranno ottenuti campioni di tessuto osseo trabecolare di forma cubica (1.5 x 1.5 cm) al centro dei quali si allestirà un difetto per l’inserimento del biomateriale da testare. I modelli in vitro 3D saranno coltivati sterilmente in condizioni standard. A diversi tempi sperimentali saranno eseguiti i test di vitalità (Alamar Blue test), le analisi microtomografiche (osteointegrazione, microarchitettura del tessuto osseo), istologiche, istomorfometriche (score di integrazione, contatto osso-biomateriale), biomeccaniche (microdurimetria) e di espressione genica (qRT-PCR) e/odi sintesi proteica (dosaggi ELISA sul surnatante). Inoltre, per valutare la sterilità dell’intero processo, i biomateriali verranno analizzati in diversi momenti del percorso mediante prove di sterilità. In caso di positività, si procederà alla identificazione dei microrganismi isolati mediante spettrometria di massa MALDI-TOF e, se necessario, alla valutazione della sensibilità in vitro ai farmaci antimicrobici.

SC Scienze e Tecnologie Chirurgiche

Chirurgia Ortopedica Ricostruttiva Tecniche Innovative-Banca del Tessuto Muscoloscheletrico

U.O. Microbiologia, IRCCS Policlinico di S.Orsola

Modello in silico

Il modello di osteointegrazione sarà validato con risultati istologici di studi di osteointegrazione. Deriveremo il range di valori di micromovimento indotto tipicamente osservato in protesi sia stabili che instabili, e useremo il modello per valutare quanto la presenza di micromovimenti indotti possa compromettere l’osteointegrazione osservata sperimentalmente in assenza di sollecitazioni biomeccaniche. Il modello stocastico in silico assume, inizialmente un’evoluzione temporale di base dell’osteointegrazione come quella osservata sperimentalmente, a partire da una mappa di contatto definita statisticamente. In assenza di micromovimenti significativi, l’osteointegrazione osservata ad un tempo stabilito dovrebbe essere simile a quella predetta dal modello. Una volta validato, il modello simulerà la presenza di una sollecitazione biomeccanica esterna che induce dei micromovimenti relativi tra l’impianto ed il tessuto ospite. In funzione delle condizioni di contatto e di micromovimento locale, il modello potrà predire per ogni punto dell’interfaccia quali regioni sono in condizione di osteointegrare, e dove invece la presenza di gap o di micromovimenti relativi previene l’osteointegrazione e favorisce invece la formazione di tessuto fibroso. La mappa del contatto sarà aggiornata, ed il modello verificherà che i micro-ponti ossei formati nelle zone di osteointegrazione non siano interrotti dalla sollecitazione esterna. Il modello proseguirà la simulazione predicendo come nel tempo la differenziazione ossea, fibrosa, le sollecitazioni esterne fanno evolvere la mappa di osteointegrazione. La simulazione verrà ripetuta centinaia di volte, per diverse mappe iniziale di contatto, e per valori di sollecitazione esterna progressivamente più elevata, in modo da avere una previsione della risposta biologica in diverse condizioni funzionali.

SC Laboratorio di Tecnologia Medica

SC Scienze e Tecnologie Chirurgiche