Medicina rigenerativa

Schema che riassume gli approcci (come elettrospinning e biofactories) per produrre fibre artificiali biocompatibili e biodegradabili per applicazioni in ingegneria tissutale
Schema che riassume gli approcci (come elettrospinning e biofactories) per produrre fibre artificiali biocompatibili e biodegradabili per applicazioni in ingegneria tissutale

La medicina rigenerativa è una branca della ricerca traslazionale (ingegneria dei tessuti e biologia molecolare) che si occupa di ripristinare o ristabilire la normale funzione di cellule umane, tessuti o organi attraverso processi di sostituzione, ingegnerizzazione o rigenerazione. A NANOTEC ci proponiamo di rigenerare i tessuti danneggiati combinando cellule del corpo con scaffolds composti da biomateriali biodegradabili altamente porosi, che fungono da templates per la rigenerazione dei tessuti, guidando la crescita di nuovo tessuto. Inoltre, utilizziamo tecniche per studiare il meccanismo di rigenerazione del tessuto osseo.

Materiali intelligenti per la medicina rigenerativa

Le attuali strategie di medicina rigenerativa sono rivolte alla progettazione e al miglioramento di biomateriali non immunogenici, biocompatibili e biodegradabili, che possono essere funzionalizzati con proteine bioattive e sostanze chimiche. Usiamo diversi approcci per la produzione di materiali biomimetici che imitano la matrice extracellulare (ECM). In un primo approccio, matrici extracellulari artificiali di materiale fibroso biocompatibile e biodegradabile sono realizzate utilizzando una varietà di polimeri naturali e sintetici per aumentare la proliferazione cellulare e l’adesione cellulare. In un altro approccio, scaffolds 3D porosi di collagene e chitosano sono funzionalizzati con delle capsule proteasi-sensibili caricate con fattori di crescita per la guida e il rilascio controllato di determinati agenti bioattivi che lavorano in associazione con gli scaffolds. In collaborazione con l’Università di Maastricht (Prof. L. Moroni; http://www.moronilab.org/), diverse tecnologie di biofabbricazione sono in fase di sviluppo per creare costrutti intelligenti. Le attività principali riguardano i seguenti obiettivi: (i) lo sviluppo di tecnologie di biofabbricazione basate sull’aggiunta di processi di spinning e metodologie bottom-up; (ii) l’integrazione neurale e vascolare nella rigenerazione dei tessuti in corso; (iii) l’ingegnerizzazione della risposta immunitaria dei biomateriali e dei dispositivi biomedici.

Biofactory

In un approccio alternativo, i biomateriali sono prodotti dalle cellule stesse una volta esposti ad uno stimolo chimico. In tale contesto abbiamo sfruttato cellule viventi come una fabbrica per la produzione di nuovi, funzionali e intelligenti biomateriali, sotto forma di fibrille per l’ingegneria tissutale, attraverso l’ausilio di coloranti sintetici, che penetrano spontaneamente la membrana delle cellule viventi.

Plasma processing di scaffold per ingegneria tissutale

I processi via plasma di scaffold utili all’ingegneria tessutale possono essere usati principalmente per: 1) funzionalizzare la superficie degli scaffolds per migliorarne il carattere idrofilo e quindi il trasporto dei metaboliti e dei prodotti di scarto e l’adesione cellulare; 2) produrre un gradiente di composizione chimica tra l’esterno e l’interno al fine di stimolare la colonizzazione cellulare dello scaffold; 3) decorare lo scaffold con coating biomimetici contenenti molecole della matrice extracellulare oppure composti inorganici quali idrossiapatite e magnesio. Inoltre l’applicazione del plasma direttamente a a cellule o terreni di coltura può promuovere un miglioramento selettivo riguardo alla proliferazione cellulare su scaffold 3D stimolandone la rigenerazione di nuovo tessuto.

Tra l’altro, in collaborazione con l’Università di Maastricht, ci proponiamo di creare impalcature 3D in grado di controllare il destino della cellula. Ciò significa creare un design biomimetico ispirato da nicchie di cellule. Diverse strategie sono state perseguite che vanno dallo sviluppo di rivestimenti intelligenti (ad esempio mediante tecnologia layer-by-layer), alla funzionalizzazione chimica (ad esempio covalente vs vincolante dinamica), e alla modifica fisica della proprietà di superficie (ad esempio rigidità vs topografia).

Sinistra: Micro-CT di scaffolds a base di policaprolattone (PCL) modificato con plasma; immagini al microscopio a fluorescenza (nel centro) e immagini SEM (a destra) di cellule SAOS-2 cresciute su scaffold PCL modificati via plasma.

Bone-tissue engineering

Una comprensione approfondita del processo di biomineralizzazione è alla base dell’ingegneria tissutale e allo sviluppo della medicina rigenerativa. La conoscenza completa ed esaustiva di un processo complesso come la biomineralizzazione richiede la sinergia di diverse tecniche sperimentali avanzate. In questo quadro, abbiamo sviluppato un approccio multi-scala basato su diverse  tecniche complementari a raggi X accoppiate con nuovi strumenti di analisi dati. Questo approccio ha permesso di ottenere informazioni strutturali e morfologiche dei tessuti ingegnerizzati, dalla scala atomica a quella micrometrica. In particolare studiamo il meccanismo di deposizione della matrice mineralizzata in un approccio di ingegneria tissutale in cui si forma il tessuto osseo quando ‘scaffolds’ ceramici porosi sono caricati con le cellule stromali del midollo osseo e impiantati in vivo su topi.

La Tomografia a contrasto di fase con raggi X (XPCT) fornisce la distribuzione spaziale 3D dei diversi tessuti che partecipano al processo di biomineralizzazione. La micro-diffrazione con raggi X (XRuD) sfrutta un fascio di raggi X di dimensione sub-micrometrica per ottenere variazioni di parametri atomici con alta risoluzione spaziale. La scansione del fascio di raggi X attraverso l’interfaccia tra lo scaffold e la matrice organica neo-formata, permette di distinguere e monitorare l’evoluzione dei diversi “attori” del processo di rigenerazione (Collagene, matrice organica, idrossi apatite (HA), amorfa fosfato di calcio (ACP)). La fluorescenza a raggi X (XRF) fa una mappatura dell’evoluzione dei diversi elementi chimici presenti nelle varie fasi di crescita della matrice ossea e in particolare studia la distribuzione di Ca nell’osso rigenerato.

Abbiamo applicato questo approccio con multi-tecniche per ottenere informazioni sui primi stadi della biomineralizzazione indagandone il precursore e la dinamica del collagene che è anisotropicamente distribuito lontano dall’interfaccia con lo scaffold ma fortemente impacchettato vicino. Quando gli ioni Ca sono sequestrati all’interno delle lacune di collagene, la mineralizzazione inizia a svilupparsi e nanoparticelle di HA appaiono all’interfaccia.
Lo studio dell’angiogenesi nell’ingegneria tissutale è cruciale per la valutazione dell’efficienza di un costrutto artificialmente impiantato. In particolare è importante monitorare il rapporto tra formazione ossea e vascolarizzazione. Per ottenere una descrizione quantitativa della rete completa di vascolarizzazione abbiamo misurato la distribuzione 3D dei vasi all’interno dello ‘scaffold’, senza sezionamento del campione, per diversi tempi di impiantazione nell’animale e su diverse tipologie di ‘scaffolds’.

(In alto) Preparazione del campione per studi sul tessuto osseo ingegnerizzato: prelievo di cellule da animale, differenziamento di BMSC, inseminazione nello scaffold, impianto nell’animale (in basso). Analisi dell’osso ingegnerizzato via XPCT e XRmD.

Facilities & Labs

Lab di Caratterizzazione @ Lecce

Bio Lab @ Lecce

Toma Lab @ Roma

Bio Lab @ URT Bari

Plasma Technologies Lab @ URT Bari

Chemical-Structural Characterization Lab @ URT Bari

People

Laura_BlasiLaura

Blasi

Ricercatore CNR

Barbara_CorteseBarbara

Cortese

Ricercatore CNR

Loretta_delMercatoLoretta L.

del Mercato

Ricercatore CNR

Ilaria_PalamaIlaria E.

Palamà

Ricercatore CNR

michelaMichela

Fratini

Ricercatore CNR

scolesGiacinto

Scoles

Professore Emerito

Alessandra_QuartaAlessandra

Quarta

Ricercatore CNR

cedolaAlessia

Cedola

Ricercatore CNR

innaInna

Bukreeva

Ricercatore CNR

Eloisa_SardellaEloisa

Sardella

Ricercatore CNR

fabrizioFabrizio

Bardelli

Ricercatore Associato

Pietro-FaviaPietro

Favia

Professore Associato

Roberto_GristinaRoberto

Gristina

Ricercatore CNR

Lorenzo_MoroniLorenzo

Moroni

Professore Associato

lorenzo_3Lorenzo

Massimi

PostDoc CNR

brun_2Francesco

Brun

PostDoc CNR

 

Publications

  1. F. Spano, A. Quarta, C. Martelli, L. Ottobrini, R. R.M.  Rossi, G. Gigli, L. Blasi, Fibrous scaffolds fabricated by emulsion electrospinning: from hosting capacity to in vivo biocompatibility. Nanoscale, 8: 9293-9303, 2016. ISSN: 2040-3364; doi: 10.1039/c6nr00782a
  2. I. E. Palamà, F. Di Maria, S. D’Amone, G. Barbarella, G. Gigli Biocompatible and biodegradable fluorescent microfibers physiologically secreted by live cells upon spontaneous uptake of thiophene fluorophore. G. Journal of Materials Chemistry B, 3, 151- 158 (2015). ISSN: 2050-750X; doi: 10.1039/c4tb01562b.
  3. G. Ciasca, M. Papi, L. Businaro, G. Campi, M. Ortolani, V. Palmieri, A. Cedola, A. De Ninno, A. Gerardino, G. Maulucci, M. De Spirito Recent advances in superhydrophobic surfaces and their relevance to biology and medicine. Bioinspiration & biomimetics 11 (1), 011001, 2016. ISSN: 2050-750X; doi:10.1088/1748-3190/11/1/011001.
  4. F. Intranuovo, R. Gristina, L. Fracassi, L. Lacitignola, A. Crovace, P. Favia; Plasma processing of scaffolds for tissue engineering and regenerative medicine. Plasma Chemistry and Plasma Processing, 36, (2016) 269-280, ISSN: 02724324, doi: 10.1007/s11090-015-9667-0
  5. M. Fratini, G. Campi, I. Bukreeva, D. Pelliccia, M. Burghammer, G. Tromba, R. Cancedda, M. Mastrogiacomo, A. Cedola. X-ray micro-beam techniques and phase contrast tomography applied to biomaterials. Nuclear Instruments and Methods in Physics Research Section B: Beam Interactions with Materials and Atoms 364, 93-97, 2015. ISSN: 0168-583X; doi: 10.1016/j.nimb.2015.06.023.
  6. G. Campi, M. Fratini, I. Bukreeva, G. Ciasca, M. Burghammer, F. Brun, G. Tromba, M. Mastrogiacomo, A. Cedola. Imaging collagen packing dynamics during mineralization of engineered bone tissue Acta biomaterialia, 23, 309-316 (2015). ISSN: 1742-7061; doi: 10.1016/j.actbio.2015.05.033.
  7. I. Bukreeva, M. Fratini, G. Campi, D. Pelliccia, R. Spanò, F. Brun, M. Burghammer, M. Grilli, R. Cancedda, A. Cedola, M. Mastrogiacomo High-resolution X-ray techniques as new tool to investigate the 3D vascularization of engineered-bone tissue. Frontiers in bioengineering and biotechnology, 3, 133 (2015).ISSN: 2296-4185; doi:10.3389/fbioe.2015.00133
  8. E. Sardella, E. R. Fisher, J. C. Shearer, M. Garzia Trulli, R. Gristina, P. Favia, N2/H2O Plasma Assisted Functionalization of Poly(ε-caprolactone) Porous Scaffolds: Acidic/Basic Character versus Cell Behavior, Plasma Process. Polym. 12-8, 786-798 (2015); ISSN: 16128850, doi: 10.1002/ppap.201400201
  9. I. Trizio, F. Intranuovo, R. Gristina, G. Dilecce, P. Favia, He/O2 atmospheric pressure plasma jet treatments of PCL scaffolds for tissue engineering and regenerative medicine. Plasma Processes and Polymers 12-12, 1451-1458 (2015) , ISSN: 16128850, doi: 10.1002/ppap.201500104
  10. I. Trizio, E. Sardella, E. Francioso, G. Dilecce, V. Rizzi, P. Cosma, M. Schmidt, M. Hansch, T. von Woedtke, P. Favia, R. Gristina, Investigation of air-DBD effects on biological liquids for in vitro studies on eukaryotic cells, Clinical Plasma Medicine 3-2, 62-71 (2015) ISSN: 22128166, doi: 10.1016/j.cpme.2015.09.003
  11. F. Intranuovo, R. Gristina, F. Brun, S. Mohammadi, G. Ceccone, E. Sardella, F.Rossi, G. Tromba, P. Favia, Plasma modification of PCL porous scaffolds fabricated by solvent-casting/particulate-leaching for tissue engineering, Plasma Process. Polym. 11, 184–195 (2014), ISSN: 16128850, doi: 10.1002/ppap.201300149
  12. R. Spano, I. Bukreeva, G. Campi, G. Tromba, F. Brun, A. Cedola, R. Cancedda, M. Mastrogiacomo Vascular network visualization in bone tissue engineered construct by synchrotron X-ray microtomography. Journal of tissue engineering and regenerative medicine 8, 211-211 (2014). ISSN: 1932-6254;
  13. Campi, I. Bukreeva, M. Fratini, M. Mastrogiacomo, A. Cedola Imaging tissue regeneration/degeneration by combined X-ray micro-diffraction and phase contrast micro-tomography. In Journal of tissue engineering and regenerative medicine 8, 66-67, 2014. ISSN: 1932-6254;

Other selected publications

  1. I. E. Palamà, F. Di Maria, I. Viola, E. Fabiano, G. Gigli, C. Bettini, G. Barbarella. Live-cell-permeant thiophene fluorophores and cell-mediated formation of fluorescent fibrils. Journal of the American Chemical Society (JACS), 133, 17777–17785 (2011). ISSN: 0002-7863; doi: 10.1021/la2065522
  2. I. Viola, I. E. Palamà, A. M. L. Coluccia, M. Biasiucci, B. Dozza, E. Lucarelli, C. Bettini, G. Barbarella, G. Gigli Physiological formation of fluorescent and conductive protein microfibers in live fibroblasts upon spontaneous uptake of biocompatible fluorophores. Integrative Biology, 5, 1057- 1066, 2013. ISSN: 1757-9694; doi: 10.1039/c3ib40064f.
  3. G. Campi, G. Pezzotti, M. Fratini, A. Ricci, M. Burghammer, R. Cancedda, I. Bukreeva, M. Mastrogiacomo, A. Cedola, Imaging regenerating bone tissue based on neural networks applied to micro-diffraction measurements. Applied Physics Letters,103 (25), 253703 (2013) ISSN: 0003-6951; doi: 10.1063/1.4852056
  4. G. Campi, A. Ricci, A. Guagliardi, C. Giannini, S. Lagomarsino, R. Cancedda, M. Mastrogiacomo, A. Cedola. Early stage mineralization in tissue engineering mapped by high resolution X-ray microdiffraction. Acta biomaterialia,8(9), 3411-3418. 2012 ISSN: 1742-7061; doi: 10.1016/j.actbio.2012.05.034.
  5. A. Guagliardi, A. Cedola, C. Giannini, M. Ladisa, A. Cervellino, A. Sorrentino, S. Lagomarsino, R. Cancedda, M. Mastrogiacomo. Debye function analysis and 2D imaging of nanoscaled engineered bone. Biomaterials, 31(32), 8289-8298 (2010). ISSN: 0142-9612; doi: 10.1016/j.biomaterials.2010.07.051
  6. M. Domingos, F. Intranuovo, A. Gloria, R. Gristina, L. Ambrosio, P.J. Bartolo, P. Favia, Improved osteoblast cell affinity on plasma modified 3-D extruded PCL scaffolds. Acta Biomaterialia 9-4, 5997-6005 (2013) ISSN: 1742-7061; doi: 10.1016/j.actbio.2012.12.031
  7. R. Cancedda, A. Cedola, A. Giuliani, V. Komlev, S. Lagomarsino, M. Mastrogiacomo, F. Peyrin, F. Rustichelli. Bulk and interface investigations of scaffolds and tissue-engineered bones by X-ray microtomography and X-ray microdiffraction. Biomaterials, 28(15), 2505-2524 (2007). ISSN: 0142-9612; doi: 10.1016/j.biomaterials.2007.01.022
  8. M. Mastrogiacomo, A. Papadimitropoulos, A. Cedola, F. Peyrin, P. Giannoni, S. G. Pearce, M. Alini, C. Giannini, A. Guagliardi, R. Cancedda Engineering of bone using bone marrow stromal cells and a silicon-stabilized tricalcium phosphate bioceramic: evidence for a coupling between bone formation and scaffold resorption. Biomaterials, 28(7), 1376-1384 (2007). ISSN: 0142-9612; doi: 10.1016/j.biomaterials.2006.10.001
  9. V. S. Komlev, F. Peyrin, M. Mastrogiacomo, A. Cedola, A. Papadimitropoulos, F. Rustichelli, R. Cancedda, Kinetics of in vivo bone deposition by bone marrow stromal cells into porous calcium phosphate scaffolds: an X-ray computed microtomography study. Tissue engineering, 12(12), 3449-3458, 2006. ISSN: 1076-3279; doi: 10.1089/ten.2006.12.3449
  10. A. Cedola, M. Mastrogiacomo, S. Lagomarsino, R. Cancedda, C. Giannini, A. Guagliardi, M. Ladisa, M. Burghammer, F. Rustichelli, V. Komlev, Orientation of mineral crystals by collagen fibers during in vivo bone engineering: an X-ray diffraction imaging study Spectrochimica Acta Part B: Atomic Spectroscopy, 62(6), 642-647,2007. ISSN: 0584-8547; doi: 10.1016/j.sab.2007.02.015

Awards

1. Special mention to Eloisa Sardella during the competition “Italia Camp-your idea for the country (la tua idea per il paese)” during the BarCamp “ Stati Generali del Mezzogiorno d’Europa” with the idea titled “plasma3D” 2012

Project

  1. NaBiDiT – Nano-Biotecnologie per Diagnostica e sviluppo di Terapie innovative; Regional project APQ Ricerca Scientifica—Reti di Laboratori Pubblici di Ricerca – (2010-2012)
  2. MAGNIFYCO – Magnetic nanocontainers for combined hyperthermia and controlled drug release; Project ID: 228622 – FP7-NMP (2009-2013)
  3. RINOVATIS – Rigenerazione di tessuti nervosi ed osteocartilaginei mediante innovativi approcci di Tissue Engineering, MIUR-PON Grant PON02_00563_3448479, 2013-2015, Alessandro Sannino (coordinator), P. Favia

Latest News

Jam session Nanotec... note di scienza su scala nanometrica

Lecce, 27 settembre 2019 - ex monastero degli Olivetani   "CAR-T: l'alba di una nuova era" con: Attilio Guarini (IRCCS Istituto Tumori “Giovanni Paolo II” di Bari) introduce e modera: Marco Ferrazzoli (Ufficio Stampa CNR Roma) a cura di: Gabriella Zammillo  

Le CAR-T (Chimeric Antigens Receptor Cells-T) sono cellule modificate in laboratorio a partire dai linfociti T. Rappresentano una nuova strategia di cura che sfrutta il sistema immunitario per combattere alcuni tipi di tumore come linfomi aggressivi a grandi cellule e leucemie linfoblastiche acute a cellule B. Il prof Attilio Guarini, ematologo all’Istituto tumori Giovanni Paolo II di Bari, le definisce la “vis sanatrix naturae della antica medicina salernitana”, trattandosi del potenziamento dell’attività citotossica dei linfociti del paziente opportunamente ingegnerizzati per riconoscere e contrastare alcuni tipi di cellule tumorali.

 

Le CAR-T possono quindi essere definite un “farmaco vivente” proprio perché prodotto a partire dalle cellule dello stesso paziente aprendo così ad un nuovo mondo, considerato che i farmaci convenzionali sono prodotti da sostanze chimiche o, in alternativa, sono anticorpi prodotti in laboratorio dai biologi. Un trattamento estremamente complesso e costoso, non sempre applicabile, ma laddove possibile, dai risultati incoraggianti per le aspettative di vita. Lo sviluppo di nuove tecnologie per la produzione di CAR-T è parte integrante delle attività di ricerca condotte dal TecnoMed Puglia, il TecnoPolo per la Medicina di Precisione, coordinato da Giuseppe Gigli direttore del Cnr Nanotec di Lecce, e che nel suo nucleo fondatore vede anche l’IRCCS Istituto Tumori “Giovanni Paolo II” di Bari, il Centro di malattie neurodegenerative e dell’invecchiamento cerebrale dell’Università di Bari con sede presso l’Ospedale " G. Panico" di Tricase e la Regione Puglia.

 

L'evento apre la nuova stagione della rassegna divulgativa "Jam session Nanotec: note di scienza su scala nanometrica", un progetto Cnr Nanotec di Gabriella Zammillo, realizzato in collaborazione con Liberrima.

A condurre e moderare la serata, Marco Ferrazzoli, capo ufficio stampa dal CNR.   Puoi scaricare la locandina da qui

Notte dei Ricercatori

Lecce, 27 settembre 2019

 

ex monastero degli Olivetani, ore 18:00 - 24:00

 
  Ritorna puntuale la Notte dei Ricercatori, l’evento più atteso dai tanti appassionati di scienza, ghiotti di conoscenza senza distinzione di età. E sempre più densa di contenuti è la partecipazione del @CnrNanotec che, per l’edizione 2019,  ha reso ancora più appetibile il calendario degli appuntamenti programmati all’interno del progetto europeo #ERN-Apulia  coordinato da Unisalento, tracciando un ideale tour tra gli intriganti campi del sapere che si dipana attraverso narrazioni, illustrazioni, laboratori hand-on, dibattiti, giochi per grandi e piccini e rappresentazioni teatrali. Clicca qui per il programma completo delle attività di Nanotec.   Per l'evento completo apri il link: www.laricercaviendinotte.it  
 

WELFARE E PARI OPPORTUNITA'

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14-22 ottobre 2019

 

Science coffee. Tre scienziate si raccontano: Luisa Torsi, Loretta L del Mercato, Eva Degl'Innocenti Bari - Fiera del Levante, 20 settembre 2019 - 17.30

Luisa Torsi, chimica, docente all’Università degli Studi di Bari e alla ABO Akademi University in Finlandia, tra le protagoniste della mostra della Fondazione Bracco . Loretta L del Mercato, biotecnologa - Ricercatrice CNR Nanotec. Esperta nell’uso delle nanotecnologie applicate in campo biomedico. Attualmente la ricerca si concentra sullo sviluppo di modelli cellulari di tumore del pancreas che consentano di testare l'efficacia di diverse terapie anticancro. Coordina il progetto ERC-StG “INTERCELLMED” finanziato dal Consiglio europeo della ricerca (Erc). Eva Degl'Innocenti, Direttrice MARTA di Taranto [/vc_column_text][/vc_column][/vc_row]