An innovative porous scaffold for esophageal tissue engineering

This thesis arises in the context of tissue engineering and regenerative medicine. Nowadays, several pathologies affecting esophageal tract require a partial or whole substitution of native tissue. The current surgical approaches to restore esophageal integrity however, are known to have limitations which may not result in full functional recovery and several side effects. For this reason the realization of an esophageal substitute able to mimic the native shape and function, is an ambitious goal, achievable thanks to tissue engineering. One of the key elements of the tissue engineering process is the scaffold, which acts as a template for cells organization and tissue development. In this thesis, an innovative approach for the realization of scaffolds derived from animal esophageal tissue of porcine origin (homologous tissue) seeded with autologous mesenchymal stem cells is described. In order to avoid rejection phenomena after implantation, the scaffold was decellularizedd. The process of decellularization chosen for this work, has the advantage of removing almost all the genetic and cellular material of the animal from the scaffold while maintaining intact the extracellular matrix. At the end of this process, scaffolds were treated to create inside them a channels network thanks to a quantum molecular resonance® scalpel. These channels have the function to increase the permeability of the scaffold to accommodate within it the cells offering them niches for cellular adhesion and proliferation. After channeling treatment in fact, the cells are seeded on the surface and inside of the scaffold through a bioreactor, which by generating a flow of medium containing the cells across the scaffold allows to uniformly distribute them into it. Channeling treatment, that represents the innovation of this approach, greatly increases the number of cells seeded in the scaffold cause instead of simply depositing them on its surface they can also enter inside the channels. Finally, the choice of using autologous mesenchymal stam cells arises from their demonstrated ability to differentiate into different cell lineages that should accelerate the phenomenon of graft (cell seeded scaffold) integration and recovery of the organ functionality once implanted in a patient.

Questo lavoro di tesi si pone nell’ambito dell’ingegneria tissutale applicata all’esofago e della medicina rigenerativa. Al giorno d’oggi molte patologie che affliggono l’esofago richiedono una parziale o completa sostituzione del tessuto nativo. Le attuali tecniche chirurgiche destinate a ripristinare l’integrità del tratto esofageo tuttavia, sono note per avere il grosso limite di non essere in grado di garantire un pieno recupero funzionale dell’organo e per generare diversi effetti collaterali. Per questo motivo la realizzazione di un sostituto esofageo in grado di mimare la forma e la funzione nativa dell’esofago è uno degli obiettivi più ambiziosi che si pone l’ingegneria tissutale. Uno degli elementi chiave dell’ingegneria tissutale è lo scaffold, che funge da template per l’organizzazione delle cellule e lo sviluppo del tessuto. In questa tesi si descrive un approccio innovativo per la realizzazione di scaffold esofagei derivati da tessuto animale di origine porcina (tessuti omologhi) seminati con cellule staminali mesenchimali autologhe. Al fine di evitare fenomeni di rigetto dopo l’impianto, lo scaffold è stato decellularizzato. Il processo di decellularizzazione scelto per questo lavoro presenta il vantaggio di rimuovere quasi del tutto il materiale genetico e cellulare dell’animale dallo scaffold mantenendone intatta la matrice extracellulare. Al termine di questo processo gli scaffold sono stati lavorati per creare al loro interno una rete di canali grazie ad un particolare bisturi a risonanza quantica molecolare®. Questi canali hanno la funzione di aumentare la permeabilità dello scaffold per accogliere al suo interno le cellule offrendo a loro delle nicchie per l’attecchimento e proliferazione. Dopo il trattamento di canalizzazione infatti, le cellule vengono seminate sulla superficie e all’interno dello scaffold tramite un bioreattore, che generando un flusso di liquido contenente le cellule attraverso lo scaffold permette di distribuirle uniformemente su di esso. Il trattamento di canalizzazione, che rappresenta l’innovazione di questo approccio, aumenta notevolmente il numero di cellule con cui si può seminare lo scaffold poiché non si depositano semplicemente sulla sua superficie ma anche all’interno dei canali. La scelta di utilizzare cellule staminali mesenchimali autologhe infine, nasce dalla loro comprovata capacità differenziativa in diverse linee cellulari che dovrebbe accelerare il fenomeno di integrazione dell’innesto (scaffold-cellule) e di recupero della funzionalità dell’organo una volta impiantato nel paziente.