6.615.3.3 Sostituzione totale del disco
Esiste una somiglianza tra l’IVD e un pneumatico con l’aria del pneumatico rappresentata dal NP e la gomma rinforzata con cinghia d’acciaio rappresentata dall’AF. Inoltre, questa somiglianza può essere estesa anche alla riparazione dell’IVD., In certe situazioni, sarà vantaggioso riempire l’aria del pneumatico (sostituzione nucleare); in altre situazioni, si può essere in grado di rattoppare un foro nel pneumatico (riparazione AF) e, infine, ci sono momenti in cui l’intero pneumatico deve essere sostituito (TDR). È la situazione finale, in cui l’herniation o la degenerazione dell’AF è abbastanza avanzata che un solo approccio NP o AF non può essere efficace. È per questo motivo che TDR è attualmente oggetto di indagine.,
La TDR artificiale è stata recentemente introdotta nella pratica clinica negli Stati Uniti con l’approvazione della FDA del dispositivo Charité precedentemente discusso nel 2004. L’idea di un disco composito a base di tessuto è stata introdotta con la pubblicazione del primo disco composito ingegnerizzato intorno allo stesso tempo.53 L’idea che l’intera IVD possa essere sostituita da una struttura tissutale è ambiziosa a causa della struttura complessa della IVD; tuttavia, i primi studi hanno mostrato promettenti proprietà ECM e meccaniche con un composito PLA/PGA/alginato., I principali criteri di progettazione nello sviluppo di una sostituzione totale del disco ingegnerizzata dal tessuto (TE-TDR) sono (1) progettare un disco in grado di sopportare il carico meccanico complesso una volta impiantato, (2) può ricreare la funzione meccanica dell’IVD, (3) può integrarsi con i tessuti nativi e (4) può sopravvivere e svilupparsi nello spazio del disco privo di nutrienti. Questi criteri di progettazione sono complessi e sono anche in competizione., Lo sviluppo di un disco meccanicamente rigido progettato per resistere al carico complesso avrà probabilmente proprietà di bassa permeabilità e potrebbe rendere difficile ottenere un trasporto di nutrienti sufficiente in tutto il disco nell’ambiente a basso contenuto di nutrienti. Al contrario, un disco altamente permeabile in grado di fornire un migliore trasporto dei nutrienti sarà meno rigido e potrebbe avere problemi a sopportare i carichi meccanici. Attualmente, non si sa quale sarà il corretto equilibrio di queste proprietà concorrenti in un TE-TDR di successo.,
Ad oggi, solo quattro disegni e cinque articoli sono stati pubblicati su TE-TDRs. Questi TE-TDR includono un composito PGA/PLA (AF)/alginato (NP), 53,54 un composito elettrospun PLLA (AF)/acido ialuronico (NP), 82 un composito di gel di collagene contratto (AF)/alginato (NP), 88 e un composito elettrospun PCL (AF) / agarosio (NP).91 La selezione cellulare per questi costrutti è stata costituita da cellule IVD ovine, MSC bovine o MSC umane. La selezione del materiale per ogni tentativo ha utilizzato un idrogel per il NP, con una tendenza verso l’aumento dell’organizzazione gerarchica nella regione AF (Tabella 4).,
Tabella 4. Sostituzione totale del disco con tecnologia tissue
| Mizuno et al.53,54 | Nesti et al.82 | Bowles et al.92 | Nerurkar et al., ovine AF | AF – bovine MSC | |
|---|---|---|---|---|---|
| NP – ovine NP | NP – human MSC | NP – ovine NP | NP – bovine MSC | ||
| Organization | Composite disc | Composite disc with nanofibers of similar diameter to collagen | Composite disc with circumferentially aligned collagen fibrils in AF | Composite disc with multilamellar AF and alternating nanofiber alignment (±30°) |
The first TE-TDR to be attempted was the PGA/PLA/alginate composite., Il costrutto è stato seminato con cellule NP e AF ovine nelle rispettive regioni del disco. L’idrogel di alginato ha fornito un ambiente NP-simile che ha mantenuto la morfologia arrotondata delle cellule NP una volta incapsulate. La regione AF di PGA / PLA forniva la morfologia lorda dell’AF ma non conteneva alcuna organizzazione inerente all’AF nativo (Figura 4(a)). Gli scaffold sono stati impiantati per via sottocutanea nella parte posteriore di un topo atimico per 4 mesi e hanno prodotto una composizione di proteoglicani simile a quella del nativo nell’AF e nell’NP., I costrutti hanno prodotto collagene vicino a livelli nativi nell’AF ma non nell’NP dove ha sviluppato il 10% dei valori nativi. Il collagene prodotto è stato correttamente localizzato con un aumento del collagene di tipo I nell’AF e del tipo II nell’NP. Inoltre, le proprietà meccaniche di compressione erano simili a quelle della pecora nativa IVD. Nel complesso, questi studi hanno dimostrato la fattibilità di sviluppare un TE-TDR che imitasse le proprietà compositive e compressive dell’IVD nativo., Tuttavia, con la mancanza di organizzazione e architettura nell’AF e il mancato test dei dischi in tutt’altro che compressione, non è chiaro se questo design potesse imitare le proprietà torsionali e di flessione dell’IVD nativo (vedere Capitolo 5.509, Incapsulamento delle celle).
Figura 4., Sostituzioni totali del disco ingegnerizzate dal tessuto con (a) PGA / PLA anulus fibrosus (AF) e alginato nucleus polposus (NP), (b) fibril collagene circonferenzialmente allineato AF e alginato NP e (c) policaprolattone elettrospun multilamelle allineato AF e agarosio NP.
Il secondo tentativo di produrre un TE-TDR utilizzava PLLA elettrospun e acido ialuronico seminato con MSC umani. Questa tecnica era simile al precedente tentativo in quanto utilizzava uno scaffold regionale AF non allineato e uno scaffold NP idrogel., Tuttavia, l’uso di electrospun PLLA ha permesso alle fibre di avere un diametro simile alle fibrille di collagene nativo nella regione AF. Inoltre, l’acido ialuronico è stato iniettato nel electropsun PLLA per pressurizzare la regione NP all’interno dell’impalcatura e posizionare le fibre elettrospun in tensione simile a quella dell’AF nativo. Inoltre, l’uso di MSC umani è significativo a causa della rilevanza clinica della fonte cellulare e inizia a indagare la loro efficacia in un TE-TDR.,
I costrutti sono stati coltivati per 28 giorni in vitro e le cellule AF si sono organizzate in strati concentrici simili alle lamelle concentriche dell’AF mentre l’NP è rimasto amorfo nella struttura. La deposizione di proteoglicani ECM è stata più diffusa nella regione AF con una deposizione meno pronunciata nell’NP. I tipi I e II del collagene inoltre hanno avuti la più alta concentrazione nella regione di AF con meno presente nella regione di NP. Questo scarso sviluppo tissutale nell’NP era probabilmente dovuto al ridotto contenuto di cellule nella regione NP dell’impalcatura dopo la costruzione., Nel complesso, il PLLA elettrospun ha mostrato risultati promettenti per la regione AF e lo sviluppo del tessuto; tuttavia, nessun test meccanico è stato eseguito sul tessuto per studiare la funzione meccanica di tale impianto e sarà necessario superare la scarsa densità cellulare nel NP in futuro.
A differenza dei primi due progetti TE-TDR, il costrutto gel / alginato di collagene contratto è stato il primo a introdurre l’allineamento del collagene nella regione AF (Figura 4(b))., La tecnica ha prodotto una regione di alginato NP seminata con cellule NP ovine e una regione di gel di collagene di tipo I seminata con cellule AF ovine che circondano la regione NP. Durante la coltura, le cellule contraggono la rete di fibrille di collagene attorno all’alginato NP. Come risultato del confine fisico del NP, le fibrille di collagene allineate circonferenzialmente attorno all’alginato NP. Inoltre, le cellule AF erano allungate e circonferenzialmente allineate tra le fibrille di collagene di tipo I simili alle cellule AF native e le cellule NP assumevano una morfologia arrotondata simile all’NP nativo., Questa tecnica fornisce un metodo per produrre un TE-TDR che ha un’architettura e un’organizzazione simili a quella dell’IVD nativo nella regione AF e NP. Tuttavia, nonostante l’allineamento circonferenziale delle fibrille di collagene, la tecnica attualmente non riesce a catturare l’allineamento del collagene ±28° osservato nelle lamelle AF successive. Inoltre, in questo studio non sono stati eseguiti test meccanici o analisi della composizione ECM.
Il TE-TDR più recente combina le strategie precedenti per produrre il TE-TDR più complesso fino ad oggi (Figura 4(c))., La tecnica utilizza PCL elettrospun per produrre fibre PCL allineate ad angoli di ±30 ° in ogni lamella successiva. Ancora una volta questo viene fatto intorno a una regione di idrogel NP, che in questo caso era agarosio. Le cellule selezionate erano MSC bovine a causa della promessa clinica di MSC. L’idea è che l’architettura complessa della fibra di PCL condurrà allo sviluppo organizzato del collagene con lo stesso allineamento dell’armatura originale.
Dopo 6 settimane di coltura, è stata osservata la produzione di collagene e proteoglicani sia nella regione AF che in quella NP., È stato osservato che sia le cellule AF che la produzione di collagene erano organizzate nella direzione di ±30° dello scaffold PCL sottostante. Nonostante la deposizione di ECM nel tempo di coltura, i valori per i proteoglicani erano < il 32% dei valori nativi sia nell’AF che nell’NP e erano il 5% dei valori nativi per il collagene nell’AF. I valori di collagene erano simili tra native e TE-TDR nell’NP. Come si può vedere, la tecnica dell’utilizzo di fibre elettrospun allineate aiuta a promuovere l’organizzazione del collagene simile all’AF nativo., Tuttavia, sarà importante studiare come promuovere un maggiore sviluppo di ECM a livelli di valore nativi in questi scaffold.
Lo sviluppo di queste strategie TE-TDR ha mostrato la promessa iniziale di promuovere diversi livelli di composizione e organizzazione ECM simili all’IVD nativo. Tuttavia, nonostante la tendenza ad aumentare l’organizzazione AF e l’attenzione alle proprietà meccaniche di questi impianti, al momento non si sa cosa sia necessario per la corretta implementazione di tale dispositivo nello spazio disco nativo., Meno attenzione viene data ad altri parametri di progettazione come la permeabilità di questi scaffold, una proprietà che potrebbe rivelarsi estremamente importante nell’ambiente nutritivo limitato dello spazio del disco. Una migliore comprensione di come questi TE-TDR reagiscono nell’ambiente nativo del disco sarà necessaria per riconoscere quale sia il corretto equilibrio delle proprietà dello scaffold che promuoverà il successo dello sviluppo del tessuto e la corretta funzione spinale. Questi impianti dovranno resistere al carico meccanico, sopravvivere e svilupparsi e integrarsi con il tessuto nativo una volta impiantato.,
È iniziato un recente lavoro per affrontare queste domande in situ utilizzando il gel di collagene / alginato contratto TE-TDR.92 I TE-TDR sono stati impiantati nello spazio discale lombare e della coda del ratto e coltivati per un massimo di 6 mesi. Questi studi hanno dimostrato che, nonostante il modulo molto più basso del collagene / alginato TE-TDR al momento dell’impianto rispetto al disco nativo, il tessuto è stato in grado di mantenere la maggior parte dell’altezza del disco per 6 mesi (78%). Inoltre, il tessuto ha visto un’ampia deposizione di proteoglicani e collagene e si è integrato con i corpi vertebrali e le piastre terminali., Inoltre, quando il segmento di movimento ingegnerizzato è stato testato meccanicamente, ha dimostrato proprietà di compressione simili al disco nativo. Questi risultati sono stati i primi che hanno mostrato un TE-TDR potrebbe formare con successo un tessuto meccanicamente funzionale quando impiantato nello spazio del disco. Questi risultati sono particolarmente interessanti a causa della resistenza meccanica relativamente bassa dei TE-TDR all’impianto., È possibile che la natura accoppiata altamente permeabile del collagene e dell’alginato TE-TDR abbia permesso un sufficiente trasporto di nutrienti che ha promosso lo sviluppo e l’integrazione del tessuto nello spazio del disco. Sarà importante come questo campo si muove in avanti, per più lavoro da fare nello spazio disco nativo per capire come le proprietà TE-TDR (modulo, permeabilità, tipo di cella, composizione ECM, organizzazione fibra AF, ecc.) influenzano la formazione del tessuto in situ (vedere Capitolo 6.614, Usura: Protesi totale del disco intervertebrale).