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1 Aspetti rigenerativi del disco lombare: è possibile? Gabriela Ciapetti Fisiopatologia Ortopedica e Medicina Rigenerativa IOR.

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1 1 Aspetti rigenerativi del disco lombare: è possibile? Gabriela Ciapetti Fisiopatologia Ortopedica e Medicina Rigenerativa IOR

2 tessuto discale coltura cellulare frammentazione semina espansione istologia fissazione sezionamento colorazione contenitore + terreno sterile Laboratorio di Fisiopatologia Ortopedica e Medicina Rigenerativa intervento Fisiopatologia Ortopedica e Medicina Rigenerativa - IOR biologia molecolare -80°C x rtPCR

3 IVD (#3387 – 45 anni, F- Pfirrmann 5) Fisiopatologia Ortopedica e Medicina Rigenerativa - IOR

4 BMP2 scarsità cellule 5000/cm 3 NP; 9000/cm 3 AF avascolare basso pH ipossia (1-2% pO 2 ) degenerazione precoce carichi meccanici complessi perdita di cellule notocordali (6 mesi nel coniglio;16 anni nelluomo) immuno-privilegiato disco intervertebrale

5 Fisiopatologia Ortopedica e Medicina Rigenerativa - IOR STRATEGIE RIGENERATIVE tendono a rivitalizzare o guarire il disco ancora esistente iniezione di fattori di crescita introduzione nuove popolazioni alterazione fenotipo cellule residenti STRATEGIE RIPARATIVE tendono ad accrescere o rimpiazzare il disco esistente introduzione cellule attive su scaffold ingegneria tissutalemedicina rigenerativa precursori scaffold fattori vascolarizzazione BMP2 attività paracrina MSC autoriparazione terapie biologiche

6 scaffold e cellule Fisiopatologia Ortopedica e Medicina Rigenerativa - IOR cellule differenziate coltura in 2D fattori di crescita ipossia co-cultura MSC-NP cellule indifferenziate coltura in 3D serum-free Nerurkar NL J Biomech 2010;43:1017 alginate/chitosan fibers carbossimetilcellulose gel atelocollagen honeycomb electrospun, nanofibrous nanofibrous+ agarose NP NP cells in alginate hyaluronic+ nanofibrousPCL multi.lamellar AF & DBM AF cells in PGA mesh STRATEGIE RIPARATIVE

7 fattori di crescita STRATEGIE RIGENERATIVE Fisiopatologia Ortopedica e Medicina Rigenerativa - IOR Than KD, Neurosurgery 2011; Hayes AJ, Histochem Cell Biol 2011; Liang H, Spine J 2010 rhBMP-2/CRM/CD HORIZON® Spinal System Pivotal Study (phase III) March 2002 – February Medtronic Spinal and Biologics (463) Spine Fusion Instrumented With BMP-2 vs Uninstrumented With Infuse BMP-2 Alone Study Nov 2006 – Dec Capital District Health Authority, Canada (50) Intradiscal rhGDF-5 Phase I/II Clinical Trial June 2008 – January Advanced Technologies and Regenerative Medicine, LLC (48) incremento proliferazione cellulare aumento aggrecano, collagene tipo II riduzione delle cellule apoptotiche up-regolazione di Sox-9 ……. TGF-β1, IGF-1 BMP-2, BMP-7 GDF-5 PRP

8 terapia cellulare cellule NP condrociti MSC KUH SU Joint Bone Spine 2009;76:70 Fisiopatologia Ortopedica e Medicina Rigenerativa - IOR condrociti da cartil articolare : molto simili a cellule NP bassa resa e morbidità MSC da midollo osseo o tessuto adiposo : resa elevata e differenziamento in NP e condrociti ………. cellule autologhe : basso rischio infezione; no terapia immunosoppressiva cellule NP da disco sano o discectomia: reazioni avverse o resa scarsa attivazione delle cellule progenitrici endogene (cellule da disco degenerato: CD105, CD166, CD63, CD49a, CD90, CD73, LNGFr ) STRATEGIE RIGENERATIVE

9 48 settiman e Sakai D, Biomaterials 2003; Yoshikawa T, Spine 2010 MSC e IVD Fisiopatologia Ortopedica e Medicina Rigenerativa - IOR Safety and Preliminary Efficacy Study of Mesenchymal Precursor Cells (MPCs) in Subjects With Chronic Discogenic Lumbar Back Pain Aug 2011 – July Mesoblast, Ltd. (100) injection of either 6 million (M) or 18M cells in a hyaluronic acid carrier into the degenerated lumbar disc nucleus pulposus Isolation and Authentication of Mesenchymal Stem Cell-like Progenitor Cells From the Degenerated Intervertebral Disc of Lumbar Spine Sept dec Taipei Medical University WanFang Hospital (20) STRATEGIE RIGENERATIVE

10 Fisiopatologia Ortopedica e Medicina Rigenerativa - IOR terapia genica Il fondamento della terapia genica per IVD è la trasduzione dei geni per citochine anaboliche citochine anaboliche … TGF 1, BMP-2, IGF-I, PDGF, GDF-5….. LIM mineralization protein (LMP), Sox-9… molecole anti-cataboliche oppure per molecole anti-cataboliche, es. TIMP-1 cDNA per TGF 1 Woods B, Orthop Clin N Am 2011 trasduzione diretta trasduzione diretta o nelle cellula da trapiantare…. effetto paracrino effetto paracrino: le proteine prodotte influenzano anche il metabolismo delle cellule adiacenti

11 limiti/rischi Fisiopatologia Ortopedica e Medicina Rigenerativa - IOR terapia cellulare fonte non ben definita vita limitata delle cellule trapiantate microambiente ostile (bassa pO2, basso pH, no vasi..) effetti indesiderati (es. osteofiti) [Vadalà G. J Tissue Eng Regen Med 2011] fattori di crescita in assenza di cellule responsive leffetto è scarso BMP: reports discordanti uso off-label [ Mroz TE.Spine 2010 ] subsidenza, infezione, radicolite, osso ectopico … Carragee EJ. Spine J 2011] terapia genica AAV……vettori non virali, i.e. liposomi, complessi DNA-ligando, micro- bolle (microbubbles) sistemi di sicurezza per il vettore AAV [Sowa G. Spine 2011] cellule esogene..trasfettate + fattori di crescita

12 conclusioni Fisiopatologia Ortopedica e Medicina Rigenerativa - IOR lunione di due tessuti disparati come lAF fibroso e il NP gelatinoso rappresenta una sfida formidabile per lingegneria tissutale Nerurkar NL. J Biomech 2010 gli studi di efficacia di cellule, fattori, scaffold sono condotti su animali, dove la degenerazione, che normalmente progredisce per anni nelluomo, è simulato attraverso singolo insulto chimico o meccanico gli studi si concentrano su AF e/o NP: il ruolo della vascolarizzazione dal piatto vertebrale nel disco degenerato non è chiaro Moore RJ. Eurs Spine J 2006 per migliorare lapproccio rigenerativo allIVD in degenerazione la capacità del disco di autoriparazione = la presenza di self progenitors e il processo di differenziamento Feng G. J Bone Joint Surg Am 2010

13 Fisiopatologia Ortopedica e Medicina Rigenerativa - IOR grazie per lattenzione


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