Collagen Type 1
2.8.8.3 Glycosaminoglycans
Come le matrici di collagene di tipo I, quelle costituite da collagene/glycosaminglycans sono state studiate in una varietà di esperimenti. La maggior parte delle matrici sono reticolate, il che ritarda il riassorbimento e preserva l’integrità dello scaffold per un tempo più lungo (Pieper et al., 2000b). L’uso o meno della reticolazione dipende quindi dall’applicazione e dal tempo ritenuto necessario affinché l’impalcatura o il rivestimento rimangano in situ. Soprattutto per i rivestimenti questo riduce la necessità di crosslink, come la conservazione di un tridimensionale, struttura porosa non è un problema qui, e la maggior parte degli esperimenti indicano che l’effetto dei rivestimenti è relativamente precoce.
Tra i glicosaminoglicani, l’acido ialuronico occupa una posizione un po ‘ separata. A causa del suo stato non solfatato, c’è poca interazione con fattori di crescita o altri componenti ECM; l’effetto principale di HyA è attraverso le sue dimensioni (vedere anche Paragrafo 2.8.3). Ci sono alcune applicazioni come sostituto dermico, dove le membrane collagene/HyA hanno dimostrato di avere una buona compatibilità e una bassa irritabilità (Koller et al., 2000), ma nella maggior parte dei casi sono state utilizzate le GAG solfate.
Se le GAG sono combinate con matrici di collagene, ci sono una varietà di effetti, come influenzare il processo di infiammazione e la risposta del corpo estraneo, un’osservazione che è stata riportata ripetutamente. Nei ratti, sia CS che HS in combinazione con il collagene aiutano la generazione di nuovo tessuto ospite con solo una risposta infiammatoria transitoria e una ridotta reazione del corpo estraneo (Pieper et al., 2000b), e l’attività dei macrofagi è stata segnalata per essere marcatamente ridotta intorno al rivestimento di collagene / CS di titanio (Rammelt et al., 2007).
Nell’integrazione ossea degli impianti, comprese le GAG, ha anche portato a risultati positivi, sebbene i meccanismi possano essere in qualche modo diversi. I rivestimenti collagene/CS sono stati costantemente trovati per dare un volume osseo più elevato e un contatto con l’impianto osseo rispetto al collagene da solo per gli impianti in titanio sia nella mandibola minipig giovanile che adulta (Stadlinger et al., 2008c); ancora una volta questi effetti erano nella fase iniziale e si sono livellati dopo 2 mesi (Stadlinger et al., 2009). È interessante notare che la coppia di estrazione degli impianti collagene / CS nella tibia delle pecore era nella regione dei rivestimenti idrossil apatite (1153 vs 1088 Nmm per collagene/CS) e superiore al collagene (900 Nmm) nonostante il fatto che dopo 2 mesi le differenze nell’apposizione ossea non fossero più significative (Ferguson et al., 2008).
I rivestimenti di collagene con sHyA a bassa solfatazione hanno anche aumentato significativamente la densità del volume osseo rispetto al controllo non rivestito dopo 8 settimane di guarigione sommersa; è interessante notare che un aumento del grado di solfatazione del GAG (sHA ad alto solfato) non ha mostrato un aumento comparabile (Stadlinger et al., 2012). Ovviamente, i bassi livelli di solfatazione dei derivati CS e sHyA sono benefici per la formazione dell’osso peri-implantare, mentre un grado di solfatazione più elevato ha un effetto dannoso. Gli effetti precisi di collagene-CS e collagene-sHyA in vivo, tuttavia, non sono ancora chiariti e richiedono ulteriori indagini.
A livello cellulare, sia per il collagene che ancora di più per il collagene/CS c’è stata una comparsa più rapida di tipi cellulari rilevanti rispetto agli impianti non rivestiti e sabbiati a griglia, e la differenziazione osteoblastica così come l’attività degli osteoblasti è stata aumentata sia intorno al collagene (Sverzut et al., 2012) e collagene / CS (Rammelt et al., 2007). Ciò si traduce in un rimodellamento osseo significativamente migliorato nelle prime fasi della guarigione ossea, che si riflette nel contatto dell’impianto osseo dopo 4 settimane: 89% per collagene/CS, 76% per collagene e 62% per impianti non rivestiti (Rammelt et al., 2006). Inoltre, l’attività dei macrofagi e degli osteoclasti è stata notevolmente ridotta intorno ai rivestimenti collagene / CS in un modello di ratto, che concorda con le osservazioni fatte negli studi angiogenici (Rammelt et al., 2007). L’impatto della topografia superficiale e del modello animale è illustrato dal fatto che nella mandibola foxhound, per campioni di titanio lavorati e acid acid, il contatto dell’impianto osseo è stato migliorato da rivestimenti di collagene/CS in entrambi i casi, ma le differenze erano significative solo per le superfici lavorate (Schliephake et al., 2009).
L’uso dei fattori di crescita nella rigenerazione dei tessuti ha dato luogo allo sviluppo di un certo numero di portatori, ma un inconveniente significativo rimane il fatto che quantità molto elevate di fattore di crescita devono essere utilizzate per ottenere gli effetti desiderati. Piccole quantità che possono essere raggiunte immobilizzando adsorbentemente ad esempio BMP-2 ai rivestimenti di collagene spesso non hanno alcun effetto significativo in vivo (Schliephake et al., 2005), sebbene i risultati della coltura cellulare siano stati promettenti. Questo è certamente un aspetto in cui l’inclusione di componenti della matrice che sono noti per interagire con i fattori di crescita può essere utile, e gycosaminoglycans sono stati descritti per interagire con i fattori di crescita. L’utilizzo di matrici che includono questi componenti per migliorare la capacità dei rivestimenti aECM di legare e fornire fattori di crescita è quindi un approccio logico. Per l’osso, la maggior parte dell’interesse si concentra sul BMPs; BMP-2 e BMP-4 sono noti per indurre la formazione ossea quando rilasciati da portatori come pile di collagene in vivo. Utilizzando le elevate quantità di BMP necessarie per indurre una risposta (di solito nell’intervallo µg), le matrici di collagene/eparina migliorano la differenziazione degli osteoblasti indotta dal BMP non solo in vitro, ma anche in vivo, il meccanismo potrebbe essere la protezione dei fattori di crescita dalla degradazione e un’inibizione degli antagonisti del BMP (Zhao et al., 2006). Per quantità di BMP inferiori che potrebbero essere immobilizzate su rivestimenti bidimensionali di impianti in titanio, la situazione è diversa. Qui o nessun effetto BMP potrebbe essere visto (Schliephake et al., 2009), o dannoso. Nella mandibola minipig, il contatto dell’impianto osseo per collagene/CS era del 40%, ma per collagene/CS/BMP-4 solo del 27% (Stadlinger et al., 2007, 2008b). Ciò indica che, per utilizzare la gamma completa di potenziale aECM può offrire, ancora molto deve essere appreso su come componenti ECM e fattori solubili interagiscono tra loro, nonché con le cellule e le proteine del tessuto ospite nel processo di guarigione.
Un altro aspetto è l’angiogenesi. Le GAG sono state descritte per svolgere un ruolo nell’indurlo e promuoverlo, qualcosa di fondamentale importanza soprattutto nei costrutti tridimensionali. Qui i biomateriali sono di interesse in grado di codificare segnali matricellulari che regolano e migliorano la progressione vascolare riproducendo l’interazione naturale esistente tra matrice, cellule e fattori angiogenici. In un modello di ratto, le matrici di collagene sia con HS che con eparina hanno mostrato una migliore angiogenesi rispetto al solo collagene (Pieper et al., 2000b; Steffens et al., 2004), lo svantaggio è che questo aumento della vascolarizzazione era solo nella periferia e probabilmente transitorio (Pieper et al., 2002). Questo potrebbe essere superato con l’aggiunta di fattori di crescita: VEGF ha ulteriormente aumentato il potenziale angiogenico delle matrici collagene / eparina (Steffens et al., 2004), e bFGF in combinazione con collagene/HS hanno portato a scaffold che sono rimasti vascolarizzati in tutta la matrice durante un periodo di impianto di 10 settimane. Inoltre, hanno rivelato una risposta tissutale intensa e prolungata e hanno notevolmente promosso la generazione di nuovo tessuto (Pieper et al., 2002). Il fatto più interessante è che l’aggiunta di bFGF alla matrice di collagene ha avuto lo stesso effetto transitorio e periferico della matrice collagene/HS senza il fattore di crescita, indicando che non solo l’HS influenza direttamente l’angiogenesi, ma che può funzionare sinergicamente con bFGF. Includere HyA in una specifica posizione della matrice può essere di ulteriore interesse, poiché l’aumento di HyA negli scaffold di collagene funziona in modo opposto a HS ed eparina, inibendo la germinazione, e la combinazione potrebbe quindi essere utilizzata per dirigere la crescita dei vasi (Borselli et al., 2007).
