Studio di nuovi approcci nell'ingegneria dei tessuti per la riparazione della cartilagine e prevenzione dell'osteoartrite

Osteoarthritis (OA) is a degenerative disease that affects the entire joint, leading to alterations in articular cartilage, ligaments, subchondral bone, and synovium. Rated as the 4th leading cause of chronic disability worldwide, OA is the most common reason behind joint replacement in developed societies, and its financial and social burden is likely to increase in the next future. Once merely considered as a “wear and tear” disease, due to the physiological decline of cartilage architecture in weight-bearing tolerance, OA is by now evolved into the definition of a multifactorial and complex disease. An imbalance between anabolic and catabolic processes is assumed to act in concert with several risk factors, e.g., age, gender, genetics, obesity, bone metabolism, physical stresses, muscle strength, trauma, and sports injuries. The treatment of chondral defects in clinical practice is hindered by the poor self-healing ability of cartilage. Tissue engineering, combining the use of biocompatible scaffolds, progenitor cells and biological and biophysical stimuli, emerges as a promising strategy for joint regeneration. One of the aims of this research was to evaluate in vitro, the chondrogenic differentiation of primary human bone-derived mesenchymal stromal cells in pellet cultures and in GelMA/HA hydrogels exposed to TGFβ1 priming and mechanical stimulation. In addition, another aim of this research was to exploit tissue engineering principles by evaluating the capability of a cell-free collagen I-based scaffold to promote cartilaginous repair after orthotopic implantation in vivo rat model. Furthermore, current literature underlines the importance of prevention and early intervention in order to avoid cartilage disruption and slow down the disease progression. For this reason, another aim of this work focused on contributing to the field of prevention of OA disease with new insights about, the effect of physical exercise in OA articular cartilage and the consequence of muscle atrophy due to inactivity in a population of stem cells.

L'osteoartrite (OA) è una patologia degenerativa che colpisce l'intera articolazione, portando ad alterazioni a carico della cartilagine che possono estendersi anche, ai legamenti, osso subcondrale e membrana sinoviale. Quarta causa di disabilità nel mondo, l'OA, il cui carico finanziario e sociale è destinato ad aumentare nel tempo, è la principale ragione alla base degli interventi di artoplastica nei paesi sviluppati. Sebbene precedentemente considerata esclusivamente come una malattia “da usura”, dovuta al fisiologico invecchiamento della cartilagine articolare che ne riduce la capacità nel sostenere i carichi, l'OA è ormai evoluta nella definizione come una patologia multifattoriale e complessa. Si presume infatti che uno squilibrio tra i processi anabolici e catabolici agisca insieme con diversi fattori di rischio, rappresentati da età, sesso, genetica, obesità, stress fisici, traumi e lesioni. Il trattamento dell’ OA nella pratica clinica è ostacolato dalla scarsa capacità di auto-rigenerazione della cartilagine. L'ingegneria dei tessuti, che si basa sull’uso combinato di matrici biocompatibili, cellule progenitrici e stimoli biologici e biofisici, emerge come una strategia promettente per la rigenerazione della cartilagine articolare. Uno degli obiettivi di questo lavoro di tesi è stato quello di valutare in vitro, il differenziamento in senso condrogenico di cellule staminali mesenchimali umane primarie isolate da midollo osseo, in pellet e in hydrogels composti da GelMA e acido ialuronico sottoposti a preincubazione con il fattore di crescita TGFβ1 e stimolazione meccanica. Inoltre si è voluto sfruttare le attuali conoscenze in questo campo di ricerca per investigare l’ efficacia di un scaffold cell-free di collagene di tipo I nel promuovere la riparazione cartilaginea dopo l'impianto ortotopico in modelli in vivo di ratto. Infine, l’attuale letteratura scientifica sottolinea l'importanza della prevenzione e dell'intervento terapeutico precoce al fine di evitare la degenerazione della cartilagine e rallentare la progressione dell’ OA. Per questo motivo, un altro obiettivo di questo lavoro di tesi è stato quello di contribuire alla ricerca nel campo della prevenzione con nuove evidenze scientifiche, sull'effetto dell'esercizio fisico nella cartilagine articolare durante la progressione della patologia, e sulle conseguenze dell'atrofia muscolare dovuta all'inattività, in una popolazione di cellule staminali.