Rilascio di VEGF mediato da Idrogel per la rigenerazione del sistema nervoso periferico

I biomateriali sono stati ampiamente impiegati in diversi campi dell'ingegneria tissutale vascolare, cutanea e neurale come sistemi di delivery di biofarmaci. La messa a punto di materiali biocompatibili da utilizzare come sistemi per il delivery di biofarmaci è in grado di fornire un supporto per la rigenerazione dei nervi periferici e rappresenta una grande sfida nel campo della medicina rigenerativa. In seguito a una lesione nervosa il sistema nervoso periferico rigenera spontaneamente, tuttavia la rigenerazione nervosa non è sempre ottimale. Nel caso di una lesione nervosa molto estesa (lesione con perdita di sostanza), talvolta, è necessario effettuare un intervento chirurgico per ricongiungere le due estremità del nervo mediante l'utilizzo di innesti. Gli innesti utilizzati possono essere di natura autologa o artificiale. Gli innesti nervosi di natura autologa consentono un elevato recupero funzionale ma presentano alcuni svantaggi. Per questo motivo, negli ultimi decenni, la ricerca nel campo dell'ingegneria tissutale, ha focalizzato l'attenzione sullo sviluppo di innesti artificiali arricchiti con fattori di crescita o cellule di supporto al fine di migliorare la loro efficacia. Lo scopo di questo lavoro è stato di sviluppare e testare un biomateriale che potesse potenziare le rigenerazione dei nervi periferici attraverso il delivery controllato del fattore di crescita vascolare endoteliale (VEGF). Nello specifico è stato sviluppato un idrogel iniettabile da utilizzare come riempitivo per innesti di poli-caprolattone. Diversi studi hanno riportato come il VEGF sia in grado di promuove la proliferazione e la migrazione delle cellule di Schwann, la sopravvivenza neuronale e la crescita neuritica, nonché la neoangiogenesi, processo importante nella rigenerazione tissutale. Al fine di testare la biocompatibilità del materiale, sono stati condotti diversi esperimenti in vitro utilizzando diversi modelli cellulari (fibroblasti e cellule di Schwann). I risultati ottenuti dimostrano la natura biocompatibile e non citotossica dell'idrogel. Tre diverse quantità di VEGF sono state incorporate all'interno dell'idrogel e la quantità di VEGF rilasciato è stata quantificata mediante ELISA. La bioattività del VEGF rilasciato è stata valutata tramite esperimenti in vitro ed ex vivo. In particolare, utilizzando cellule HUVEC è stata valutata la capacità della molecola rilasciata di indurre l'attivazione del recettore del VEGF (VEGFR-2) e delle vie di segnalazione di Akt e Erk. Saggi di tubulizzazione e di crescita neuritica effettuati su cellule HUVEC e su espianti di gangli della radice dorsale (DRG) dimostrano che il VEGF viene rilasciato dall'idrogel nella sua forma bioattiva. L'idrogel è stato inoltre utilizzato come riempitivo per innesti artificiali di policaprolattone. I dispositivi artificiali ottenuti iniettando l'idrogel, contenente o meno il VEGF, all'interno della cavità dei tubi di poli-caprolattone, sono stati testati in vivo in un modello animale di lesione del nervo mediano. Il recupero funzionale è stato valutato mediante grasping test. I risultati ottenuti in vivo dimostrano che l'innesto prodotto è biocompatibile in quanto non sono state osservate reazioni di rigetto negli animali in cui il dispositivo è stato impiantato. Tuttavia, le proprietà meccaniche dell'idrogel non hanno consentito un recupero funzionale ottimale. Nell'insieme, i risultati ottenuti dimostrano come l'idrogel sia in grado di supportare la vitalità delle ce

In different fields of tissue engineering, like vascular, bone, dermal or neural tissue engineering, biomaterials and drug delivery approaches are largely employed. A great challenge is represented by the capability of developing biocompatible materials that, depending on the problem to be treated, can be used as tools for biopharmaceuticals delivery. In particular, in the field of neural tissue engineering developing a biocompatible material that supports and stimulates regeneration through a drug delivery approach, is a big challenge. After an injury, the peripheral nervous system is capable of spontaneously regenerate yet nerve regeneration is not always complete and successful. After a severe nerve injury, like neurotmesis, which may result in large nerve disruption, a surgery approach is needed. As of now, the gold standard for peripheral nerve reconstruction is represented by autograft, although this technique has some disadvantages. In the last decades the development of artificial grafts (Nerve Guidance Channels, NGCs) that helped the regeneration process has become of great interest. The aim of this study was to develop and test a biomaterial to be used as a tool for cellular support and biopharmaceuticals delivery. In particular an injectable hydrogel was developed to be used as luminal filler for NGCs. Moreover, to further increase nerve regeneration a growth factor was incorporated into the hydrogel. Vascular Endothelial Growth Factor (VEGF) was chosen as growth factor to be incorporated into the hydrogel for its positive effect on Schwann cell proliferation and migration, neuron survival and neurite outgrowth. In vitro experiments were performed to test hydrogel biocompatibility using fibroblasts and Schwann cell lines. Different amounts of VEGF were incorporated into the biomaterial and its bioavailability and bioactivity were evaluated through in vivo and ex vivo experiments. Results showed that the developed hydrogel allows cell viability, gradual VEGF release and ensuring its bioactivity. A NGC device was prepared by filling a e-polycaprolactone empty tube with the hydrogel. Based on the in vitro results an in vivo experiment was designed to test the device performance in a rat model of median nerve injury. NGCs filled with hydrogel, and incorporated with VEGF, were implanted and functional recovery was evaluated. After 21 weeks morphological analysis were performed to evaluate the processes occurred inside the scaffold during the recovery period. Overall, results indicate that hydrogels support Schwann cell vitality and biologically active VEGF delivery and that they can be injected locally as luminal fillers for NGCs. However, further experiments will be necessary to improve mechanical characteristics of hydrogel and the amount of incorporated VEGF to achieve better in vivo results on peripheral nerve regeneration.