Differentiation of osteoblast and osteoclast precursors on nanostructured pure and silicon-substituted synthesised hydroxyapatite

L’elevata richiesta di materiali sintetici per rimpiazzare il tessuto osseo ha dato un grande slancio alla ricerca nel campo dell’ingegneria tessutale con lo scopo di creare scaffold ingegnerizzati, eventualmente arricchiti di elementi o peptidi, come promettente alternativa agli autotrapianti e allotrapianti, necessari per riparare difetti dell’osso dovuti a tumori o traumi. Questi scaffold devono fornire alle cellule progenitrici del tessuto gli appropriati segnali ambientali in grado di influenzarne l’espressione genica e il differenziamento, al fine di mimare la crescita in vivo del tessuto. Scopo del presente lavoro è stato quello di studiare scaffold ceramici biodegradabili, porosi e non porosi, come supporto tridimensionale per il differenziamento in senso osteoblastico e osteoclastico di cellule progenitrici, con la prospettiva di creare un modello in vitro per studiare il differenziamento del tessuto osseo e di utilizzare tali scaffold in vivo per fornire un materiale di supporto per la crescita e il differenziamento cellulare durante la riparazione del tessuto danneggiato. Per gli scaffold ceramici, dati di letteratura indicano che l’incorporazione di gruppi Silicato (Si) all’interno dell’idrossiapatite (HAp) produce un miglioramento significativo della solubilità dell’HAp e della velocità di apposizione ossea, così come un incremento della proliferazione di linee cellulari di osteoblasti in vitro, ma i dati a riguardo sono ancora scarsi e talora discordanti. Allo scopo di valutare l’effetto dell’incorporazione del Si sulla proliferazione di pre-osteoblasti murini primari, abbiamo prodotto scaffold tri-dimensionali nanostrutturati porosi di HAp e di Si-HAp (1.4 % in peso) e ne abbiamo inizialmente testato la citocompatibilità, valutandone la capacità di permettere l’adesione e la crescita di cellule staminali embrionali murine (mES), note per la loro sensibilità a piccoli cambiamenti ambientali. I materiali sono risultati ambedue citocompatibili, inoltre la presenza del Si-HAp ha migliorato significativamente il tasso di proliferazione delle cellule mES, rispetto alla semplice HAp. Successivamente abbiamo testato la capacità degli scaffold di favorire l’adesione, la crescita e il differenziamento di pre-osteoblasti isolati da ossa parietali di topi neonati. Le cellule hanno mostrato di colonizzare lo scaffold poroso, proliferando meglio su Si-HAp, rispetto ad HAp. I marcatori di differenziamento scelti, Alp e Ocn, mostrano entrambi up-regolazione, anche se più robusta su HAp, ma con pattern differenti sui due scaffold. Abbiamo infine studiato la capacità di questi substrati artificiali di permettere il differenziamento di un altro tipo cellulare, l’osteoclasto, implicato nel riassorbimento e nel rimodellamento del tessuto osseo, al fine di verificare la possibilità, per questi scaffold ceramici, di essere riassorbiti da osteoclasti differenziati in situ, un altro importante parametro di valutazione per l’ingegneria tissutale in vitro e per una possibile applicazione medica. Precursori ottenuti da sangue periferico umano, della linea monocito/macrofagica, sono stati coltivati su entrambi gli scaffold e il loro differenziamento è stato valutato a livello citochimico e morfologico e non ha mostrato differenze significative tra i due materiali. Invece a livello funzionale, è interessante notare che le cellule differenziate su Si-HAp hanno mostrato un incremento della capacità di riassorbimento in termini di quantità e dimensioni delle lacune di Howship.