RESCUE: Validazione di bioprotesi vascolari ingegnerizzate in bioreattore ad alte prestazioni

Responsabile di Progetto: Bianca Pane

Dipartimento: DISC Dipartimento di Scienze Chirurgiche e Diagnostiche Integrate

Obiettivo del progetto

L’obiettivo del progetto è lo studio in un bioreattore ad alte prestazioni di un prototipo di protesi vascolare, RESCUE (engineeREd VaSCUlar bioprosthEses), di piccolo calibro, biodegradabile, bioriassorbibile, funzionalizzato con gelatina ed ingegnerizzato con quercetina. Il prototipo avrà come applicazione principale, dopo lo studio di validazione in bioreattore, quella di costituire un’alternativa, altamente innovativa e promettente, alle protesi vascolari attualmente impiegate nel campo della chirurgia vascolare.

I bisogni che verranno soddisfatti dalla sperimentazione di RESCUE in un bioreattore ad alte prestazioni consentiranno di validare il prototipo proposto, e già ben caratterizzato dal gruppo di ricerca, prima di intraprendere l’ultima fase di sperimentazione animale necessaria prima della produzione su larga scala con auspicabile immissione nel mercato.

L’impiego di protesi vascolari commerciali, specialmente nel caso di protesi di piccolo calibro, inferiore ai 6.0 mm, in pazienti affetti da patologie vascolari periferiche ostruttive, causa talvolta un processo infiammatorio ed eventi di natura trombotica. RESCUE potrebbe portare alla risoluzione di tali problemi in quanto è una protesi vascolare di piccolo calibro funzionalizzata con gelatina ed ingegnerizzata con quercetina, responsabile della modulazione del processo infiammatorio innescato dall’impianto di un corpo estraneo nell’organismo e con attività antibatterica.

Durante la sperimentazione, RESCUE verrà studiata all’interno di un bioreattore in cui verrà fatto passare un fluido dalle proprietà fisico-chimiche simili a quelle del sangue, sotto un regime pressorio pulsatile tra valori fisiologici di pressione sistolica e diastolica. Verrà studiata la cinetica di degradazione, di assorbimento di liquidi, di rilascio delle molecole bioattive così come le modifiche alla struttura fibrosa apportate dal fluido sotto un regime pressorio controllato per tempi prestabiliti (con campionamenti, ad esempio, dopo 30, 60 e 90 giorni). Grazie alla sperimentazione in bioreattore, verranno definiti dei modelli matematici che consentiranno di predire il comportamento della protesi una volta impiantata in un organismo vivente.

Brevetto di riferimento

102019000014985 Bioprotesi vascolari biodegradabili ingegnerizzate e loro processo di produzione

Breve descrizione del problema che la tecnologia risolve

Nei Paesi Occidentali le patologie a carico dell’apparato cardiovascolare, ivi comprese le patologie a carico delle coronarie e dei vasi arteriosi periferici, sono la più comune causa di morbilità e di mortalità con importanti ricadute sui sistemi sanitari nazionali. In presenza di ostruzione vasale, al fine di ristabilire il flusso ematico, preservando tutte le funzioni dei tessuti a valle, è necessario introdurre un bypass arterioso o sostituire completamente il vaso ostruito. Durante gli ultimi decenni, diverse tipologie di sostituti vascolari sono stati impiegati per ottenere bypass o per sostituire vasi danneggiati. Protesi non biodegradabili sono state usate con successo come sostituti vascolari ma solamente per vasi con un calibro superiore a 6.0 mm. Queste, invece, non possono essere impiegate quando il vaso interessato presenta un calibro inferiore poiché si potrebbe andare incontro ad eventi di natura trombotica, iperplasia intimale, possibile calcificazione e possibile risposta infiammatoria, nonché infezioni che prendono vita dalla protesi impiantata. RESCUE è un’idea rivoluzionaria nel campo della chirurgia vascolare in quanto si propone di superare i limiti che rendono inadeguate le protesi vascolari attualmente disponibili, specialmente quelle che presentano un diametro inferiore ai 6.0 mm.

Settori di potenziale applicazione della tecnologia sviluppata (diretti e indiretti)

Il prototipo sviluppato, una volta validato in bioreattore, potrebbe avere, sempre considerando il ruolo primario che potrà ricoprire nella chirurgia vascolare, un’applicazione come:

• protesi/bypass vascolare: il prototipo possiede adeguate proprietà:

a) morfologiche dal punto di vista micrometrico (natura fibrosa) e dal punto di vista macrometrico (plissettatura);

b) fisico-chimiche;

c) meccaniche;

d) di suturabilità in vivo;

e) di bio- ed emocompatibilità.

• protesi/bypass vascolare di piccolo calibro: la versatilità del processo di produzione impiegato, ovvero l’elettrofilatura, consente di ottenere costrutti con diametri compresi tra 1.5 e 6.0 mm. Ad oggi è impensabile impiantare protesi sintetiche con questi calibri senza incorrere in eventi trombotici post-intervento;
• protesi/bypass vascolare biodegradabile: ad oggi non esistono protesi vascolari in uso che vengano degradate dopo l’impianto;
• protesi/bypass vascolare bioriassorbibile: ad oggi non esistono protesi vascolari in uso le cui componenti possano essere riassorbite dall’organismo senza innescare reazioni avverse;
• protesi/bypass vascolare senza perdite di sangue: essendo rivestito con gelatina, la porosità risulta ottimale;
• protesi/bypass vascolare per modulare il processo infiammatorio post-intervento: essendo ingegnerizzato con la quercetina, questa viene rilasciata dopo l’impianto della protesi andando a modulare il processo infiammatorio che l’introduzione di un corpo estraneo potrebbe originare nel paziente dopo l’intervento chirurgico;
• protesi/bypass vascolare con attività antimicrobica: essendo ingegnerizzata con la quercetina, questa protesi sarà in grado di contrastare anche eventuali contaminazioni batteriche.

L’impatto atteso che RESCUE, considerando che le arteriopatie periferiche rappresentano, non solo in Italia, ma in tutto il mondo occidentale uno dei più importanti problemi della sanità pubblica, potrà avere è considerevole. La ricaduta clinica potrebbe essere notevolmente significativa, andando a migliorare sia la pratica chirurgica sia il ripristino delle funzionalità post-operatorie. I miglioramenti della pratica clinica deriverebbero anche dalla possibilità di ridurre gli interventi di sostituzione delle protesi commerciali che, talvolta, ad oggi si rendono necessari per sostituire protesi sintetiche che si infettano o trombizzano con il passare del tempo, dando sollievo al sistema sanitario pubblico per la diminuzione dei ricoveri e del numero di interventi chirurgici.

Descrizione progressiva delle attività e dei risultati conseguiti rispetto agli obiettivi

Durante i primi due mesi di progetto, il gruppo di ricerca ha, dopo avere definito le diverse geometrie, caratteristiche e funzioni delle componenti del bioreattore necessario per la validazione di RESCUE, preso contatti con diverse aziende leader nel settore. Le componenti riguardo cui sono state interrogate le aziende hanno compreso le camere di alloggiamento per le protesi, i tubi per la realizzazione del circuito, le sonde per il monitoraggio della temperatura e della pressione all’interno del bioreattore, le elettrovalvole, i raccordi per collegare le diverse componenti, i vessel da impiegare come reservoir ed il software per il controllo dei parametri operativi. Inoltre, è stato dettagliato il design sperimentale che porterà alla validazione del prototipo in bioreattore. L’attività sperimentale ha previsto anche la fabbricazione, la funzionalizzazione e l’ingegnerizzazione delle protesi che saranno oggetto della sperimentazione, andando a definire i parametri del processo di produzione, funzionalizzazione ed ingegnerizzazione che portano ad una produzione standardizzata della protesi studiata.

Immagini

Figura 1 impianto di elettrofilatura per la produzione di protesi vascolari

Figura 2 

Referente per richiesta contatti/informazioni

Pier Francesco Ferrari

Settore valorizzazione della ricerca e trasferimento tecnologico