Risposta infiammatoria ospite
La risposta infiammatoria si manifesta principalmente come risposte acute (da minuti a giorni) e croniche (da settimane a mesi) in base alla durata e all’intensità degli stimoli infiammatori e alla loro attenuazione in situ. In generale, la risposta infiammatoria acuta ai biomateriali si risolve rapidamente, di solito entro una settimana, a seconda dell’entità della lesione nel sito dell’impianto e del tipo di biomateriale nell’IMD. L’infiammazione cronica è istologicamente meno uniforme, risultante da stimoli infiammatori costanti e variabili dalla presenza dell’impianto, dall’irritazione meccanica come micromovimento impianto-tessuto, o dai componenti di degradazione prodotti dall’impianto. La risposta infiammatoria cronica ai biomateriali è solitamente confinata al sito dell’impianto e può variare da settimane a mesi ad anni (Anderson, 1988). Infatti, ci si può aspettare che la risposta dell’ospite persista per tutto il tempo in cui il biomateriale rimane nell’individuo. Diversi tipi di cellule, sia residenti all’interno che reclutate nel tessuto intorno al sito dell’impianto, così come diversi mediatori molecolari, sono coinvolti nel propagare, sostenere e risolvere la risposta infiammatoria.
Il tipo di cellule predominante presente nella risposta infiammatoria varia con l’età della lesione. I neutrofili (leucociti polimorfonucleati, PMN) caratterizzano la risposta infiammatoria acuta. In generale, i neutrofili dominano durante i primi giorni dopo la lesione e poi vengono sostituiti da monociti/macrofagi infiltrati nel sangue come tipo cellulare predominante. I neutrofili sono cellule a vita breve che attaccano gli agenti patogeni e i materiali estranei nel sito della ferita e si disintegrano dopo 24-48 ore dalla formazione della ferita. I neutrofili sono spesso accompagnati da mastociti dell’ospite nelle fasi infiammatorie acute. L’attivazione dei mastociti porta alla degranulazione, con il rilascio di istamina e l’assorbimento di fibrinogeno, noti per mediare le risposte infiammatorie acute ai biomateriali impiantati (Tang et al., 1998). L’entità del rilascio delle citochine interleuchina-4 (IL-4) e IL-13 dai mastociti nei processi di degranulazione gioca un ruolo significativo nel successivo sviluppo e grado della FBR (Zdolsek et al., 2007). Le risposte infiammatorie mediate dal biomateriale possono essere modulate dal reclutamento dei fagociti mediato dall’istamina e dall’adesione dei fagociti alle superfici dell’impianto facilitata dal fibrinogeno dell’ospite adsorbito, tra molte altre possibili proteine dell’ospite (Anderson e Patel, 2013). I monociti che arrivano al sito di impianto dopo i PMN precedenti subiscono cambiamenti fenotipici, differenziandosi in macrofagi. L’infiltrazione dei monociti dipende da spunti chemiotattici provenienti da lesioni tissutali e da segnali infiammatori secreti dai PMN. Che questo reclutamento dipenda dalle caratteristiche del biomateriale impiantato e dal sito del tessuto è discutibile: sembra essere relativamente onnipresente. L’infiammazione cronica è caratterizzata dalla presenza di monociti precursori, macrofagi e linfociti aderiti al biomateriale, oltre alla proliferazione di vasi sanguigni associati ad azioni di macrofagi e cellule endoteliali, e abbondante tessuto connettivo prodotto da miofibroblasti in ritardo. Il movimento guidato di monociti/macrofagi verso l’impianto avviene in risposta alla presenza in evoluzione di citochine multiple, chemochine e altri chemioattrattori prodotti nel sito dell’impianto al momento della lesione, dell’emostasi acuta risultante e delle risposte cellulari infiammatorie acute immediate associate. In seguito alle interazioni sangue-materiale associate alla ferita acuta (la chirurgia e il posizionamento dell’impianto producono naturalmente sempre una ferita, anche se minimamente invasiva come discusso nel Capitolo 2), le piastrine nel coagulo risultante rilasciano chemioattrattori come il fattore di crescita trasformante (TGF-β), il fattore di crescita derivato dalle piastrine (PDGF), CXCL4 (fattore piastrinico, PF4), leucotriene (LTB4), e IL-1. Questi agenti possono dirigere i monociti del sangue e i macrofagi residenti nei tessuti al sito della ferita (Broughton et al., 2006). L’interazione delle proteine adsorbite dagli impianti con i recettori di adesione presenti sulle popolazioni di cellule infiammatorie costituisce il principale sistema di riconoscimento cellulare per i materiali sintetici impiantabili e i dispositivi medici (Hu et al., 2001). Le proteine adsorbite nel sito della ferita come l’albumina, il fibrinogeno, il complemento, la fibronectina, la vitronectina, le globuline e molte altre sono implicate nella modulazione delle interazioni delle cellule infiammatorie dell’ospite e sono quindi legate alle successive risposte infiammatorie e di guarigione della ferita (Jenney e Anderson, 2000). La comprensione dell’adsorbimento delle proteine in vivo è complicata dal numero e dai diversi tipi di proteine presenti, e dal fatto che le loro interazioni adsorbitive con le superfici dei biomateriali variano nel tempo, spesso indipendentemente dalle loro frazioni di massa relative presenti nel milieu biologico (cioè il cosiddetto effetto Vroman, Bamford et al., 1992) e Capitolo 5. Il fatto che queste proteine cambino probabilmente le loro frazioni composizionali e le risultanti reattività del sito della ferita confonde ulteriormente le interpretazioni del loro coinvolgimento nella risposta FBR invecchiata. La maggior parte degli effetti Vroman con i biomateriali sono stati studiati nel contesto della coagulazione del sangue. Poco si sa sulle alterazioni della risposta di Vroman o sulle alterazioni proteiche della FBR in funzione dell’età.
Il reclutamento dei macrofagi nel sito dell’impianto propaga ulteriormente i segnali chemioattraenti. L’attivazione dei macrofagi in situ stimola la produzione di PDGF, fattore di necrosi tumorale (TNF-α), fattore stimolante le colonie di granulociti (G-CSF) e fattore stimolante le colonie di macrofagi granulociti (GM-CSF) che attrae più macrofagi al sito della ferita (Broughton et al., 2006). La proteina chemiotattica dei monociti (CCL2 o MCP-1) è nota per circondare i materiali in polietilene impiantati (Hu et al., 2001). Una serie di altri mediatori infiammatori tra cui IL-1, IL-6, IL-10, IL-12, IL-18, TGF-β, IL-8, e la proteina infiammatoria macrofagica (MIP)-1α/β sono anche prodotti dai monociti/macrofagi (Rot e von Andrian, 2004; Fujiwara e Kobayashi, 2005). I macrofagi sono anche capaci di secernere fattori di crescita e angiogenici importanti nella regolazione della fibro-proliferazione e dell’angiogenesi (Singer e Clark, 1999). In alternativa, i macrofagi attivati sovraesprimono alcune proteine ECM, come la fibronectina, e sono coinvolti nel rimodellamento dei tessuti durante la guarigione delle ferite (Mosser, 2003). Le diverse funzioni biologiche dei macrofagi attivati svolgono ruoli centrali nell’infiammazione e nella risposta di difesa dell’ospite. Una discussione completa sulla plasticità dei macrofagi e sul ruolo di questo tipo di cellule è discussa nel Capitolo 6.
I macrofagi sono fagociti professionali capaci di ingerire grandi quantità di piccole particelle e detriti (<5 µm), mentre particelle di dimensioni maggiori (>10 µm) non possono essere internalizzate. L’incapacità dei macrofagi di fagocitare oggetti estranei di dimensioni sovracellulari porta ad una “fagocitosi frustrata” intorno a tali oggetti di grandi dimensioni (Mosser, 2003), rilasciando mediatori di degradazione come intermedi reattivi dell’ossigeno (ROIs, radicali liberi dell’ossigeno) o enzimi degradativi intorno alla superficie del biomateriale (Henson, 1971). Questa reazione infiammatoria, prolungata se il corpo estraneo (cioè il biomateriale) resiste alla degradazione e alla clearance fagocitaria, è anche correlata alla formazione di cellule giganti multinucleate note come cellule giganti da corpo estraneo (FBGC) (Xia e Triffitt, 2006). Come discusso in dettaglio nel Capitolo 2, la fusione cellula-cellula di monociti e macrofagi per formare le FBGC multinucleate richiede una serie di eventi biochimici e cellulari altamente orchestrati intorno all’impianto (Chen et al., 2007a). Le FBGC mostrano un fenotipo antigenico simile ai monociti e ai macrofagi formati dalla fusione di macrofagi derivati da monociti (Athanasou e Quinn, 1990). La formazione di queste cellule è un segno distintivo istologico della FBR, anche se il ruolo preciso delle FBGC nella FBR è ancora irrisolto. La loro presenza è generalmente localizzata alla superficie dell’impianto e si correla con una maggiore presenza di fibroblasti intorno all’impianto e l’incapsulamento del biomateriale (Shive e Anderson, 1997). Un’ulteriore comprensione delle dinamiche e delle interazioni dei componenti del sistema immunitario con le cellule infiammatorie sugli impianti è cruciale per progettare i controlli di questi eventi per migliorare la risposta dell’ospite, l’integrazione dei tessuti, la sicurezza, la biocompatibilità e la funzione di questi dispositivi (Anderson et al., 2008).