Il collagene: una proteina al servizio degli ingegneri

collNello studio della meccanica dei materiali ci si inserisce sempre più in un contesto biologico. Gli scienziati, in particolare gli ingegneri, sempre più spesso rivolgono la loro attenzione allo studio del collagene, presente in tutti i tessuti biologici, e alle possibili applicazioni che tali studi possono implicare. Prof. Giuseppe Vairo, che cos’è il collagene per l’esattezza?

Il collagene è propriamente una proteina, ed è la più diffusa nei tessuti animali. L’unità fondamentale a livello molecolare è il tropocollagene, caratterizzato da una struttura a tripla elica allungata costituita da tre catene polipetidiche.  Il collagene, all’interno dei tessuti, svolge essenzialmente una funzione meccanica. In particolare, le strutture biologiche derivanti dall’aggregazione di molecole di collagene hanno il compito di conferire al tessuto precise caratteristiche di resistenza e rigidezza, dipendenti dalla specifica funzionalità cui esso deve assolvere. Il collagene è presente sia nei tessuti duri (e.g., denti, ossa) che in quelli molli (e.g., pelle, tendini, vasi sanguigni, tessuti connettivi in genere), secondo un’organizzazione governata da un preciso schema gerarchico. In particolare, riferendosi ad esempio a tessuti molli, a partire dalla scala molecolare (nanoscala) il collagene si presenta in strutture filamentose dette fibrille che a loro volta si organizzano in strutture a fascio dette fibre (osservabili al microscopio). A seconda della quantità e dell’organizzazione delle fibre di collagene, il tessuto esibirà uno specifico comportamento meccanico alla macroscala (cioè alla scala osservabile a occhio nudo). collagene_galleryIn altri termini, le modalità di aggregazione e di disposizione delle strutture di collagene all’interno del tessuto, consentono una sua differenziazione funzionale di tipo meccanico. Possibili alterazioni nelle caratteristiche aggregative delle strutture collageniche e nel loro arrangiamento all’interno del tessuto (ed esempio connesse a sindromi genetiche), possono essere causa di specifiche disfunzioni patologiche. Si pensi ad un tendine. Se le fibre di collagene, per organizzazione e quantità, sono tali da non assicurare sufficiente rigidezza all’elemento tendineo, l’articolazione da esso regolata può risultare eccessivamente mobile e flessibile (iperlassità), inducendo possibili conseguenze patologiche (dislocazioni articolari, problemi di postura, usura eccessiva dei distretti articolari, etc.).

Perché lo si studia dal punto di vista ingegneristico?

La possibilità di descrivere in modo accurato le proprietà di risposta meccanica e i meccanismi di trasferimento delle sollecitazioni cui un tessuto vivo è soggetto nel corso delle sue funzioni è, in virtù di quello che sottolineavo prima, fortemente dipendente dalle caratteristiche del collagene e dall’organizzazione delle sottostrutture che esso determina. Il successo nella descrizione del comportamento meccanico di tessuti biologici apre alla possibilità di perseguire due obiettivi fondamentali. Il primo è di carattere diagnostico. Se è vero, come è vero, che il collagene e le sue strutture su scale non visibili ad occhio nudo influenzano il comportamento dei tessuti alla scala visibile, indagini diagnostiche non invasive, condotte su specifici tessuti e basate su semplici prove biomeccaniche, potrebbero essere messe in relazione diretta e quantitativa con alterazioni alla nanoscala, eventualmente di carattere genetico, consentendo di controllare patologie degenerative e/o silenti. Il secondo obiettivo è di carattere terapeutico e clinico. protesi1bLa descrizione accurata del comportamento meccanico di tessuti collegenici consentirebbe infatti di progettare e realizzare tessuti artificiali in grado di riprodurre fedelmente la risposta meccanica di quelli reali, e quindi in grado di sostituire nelle funzioni biomeccaniche eventuali tessuti danneggiati o malati. Inoltre, la corretta previsione di come un tessuto si deforma sotto particolari stati di sollecitazione consentirebbe di progettare e ottimizzare, per lo specifico paziente, trattamenti clinici e/o chirurgici in cui le interazioni meccaniche tra dispositivi medici e tessuti biologici possono discriminare il successo o il fallimento del trattamento.

Cos’è l’approccio multiscala?

E’ un modo di descrivere la risposta di un sistema complesso, costituito da struttura e organizzazione contraddistinte da differenti scale di osservazione. I tessuti biologici sono un esempio tipico in cui può essere utile un approccio multiscala. Infatti, se si pensa ad un tessuto di tipo tendineo, questo è costituito da tanti fasci ondulati nella direzione del tendine (le fibre di collagene). timthumbLe fibre, a livello microscopico, a loro volta sono costituite da fibrille. Le fibrille, ancora, sono costituite alla nanoscala da molecole. Le molecole di collagene a loro volta sono costituite da aggregati polipetidici che realizzano la tipica struttura a tripla elica. Quando si usa un tendine, tirando un calcio ad un pallone o alzando un peso, la modalità con cui si manifesta il suo allungamento/accorciamento è fortemente influenzata da quello che accade  alle sottostrutture che lo costituiscono. In altri termini, la risposta meccanica del tendine dipende da come si deformano le fibre. La deformazione delle fibre di collagene dipende da come interagiscono e si deformano le fibrille. I meccanismi che inducono la deformazione delle fibrille sono dipendenti dalle interazioni a livello molecolare. In questo senso, modelli matematici e/o numerici basati su un approccio multiscala consentono di portare in conto, nella descrizione del comportamento alla macroscala del tessuto, gli effetti dominanti che influenzano il comportamento delle sottostrutture alle scale inferiori (microscala e nanoscala).

Quali possono essere le implicazioni mediche e le applicazioni biomeccaniche di una tale branca di ricerca?

Come accennavo prima, risultati originali in questo contesto possono contribuire al progresso scientifico sia nei riguardi di pratiche diagnostiche che di applicazioni protesiche e cliniche in generale. Si pensi ad esempio ad interventi di angioplastica su vasi arteriosi basati sull’utilizzo di stent. Tali interventi si rendono necessari per pazienti affetti ad esempio da stenosi (cioè da una riduzione patologica di un lume vasale) o affetti da aneurisma (cioè da un allargamento patologico del lume con rischio di rottura del vaso).

In questi casi, il trattamento clinico, la scelta dei dispositivi e delle procedure di intervento, il successo e la durabilità del trattamento, sono fortemente dipendenti dai meccanismi di interazione biomeccanica tra il dispositivo (stent) ed i tessuti che lo accolgono (vaso). Tale interazione è fortemente dipendente dalle caratteristiche elastiche del tessuto, ed una sua corretta descrizione e previsione consente di ottimizzare il trattamento clinico, sulla base delle caratteristiche specifiche del paziente.

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201211150235314782  Giuseppe Vairo è professore di Meccanica dei Materiali e delle Strutture all’Università di Roma “Tor Vergata”.

E’ autore di numerose pubblicazioni scientifiche sull’argomento, tra cui ricordiamo:

-Marino M, Vairo G (2013). Multiscale elastic models of collagen bio-structures: From cross-linked molecules to soft tissues. In: Studies in Mechanobiology, Tissue Engineering and Biomaterials (Multiscale Computer Modeling in Biomechanics and Biomedical Engineering). Springer-Verlag.

– Marino M, Vairo G (2013). Computational modelling of soft tissues and ligaments. In: Computational modelling of biomechanics in the musculoskeletal system. Zhongmin Jin (Ed.), Woodhead Publishing.

– Maceri F, Marino M, Vairo G (2012). Elasto-damage modeling of biopolymer molecules response. Computer Modeling in Engineering & Sciences 87(5):461-481.

-Maceri F, Marino M, Vairo G (2012). Age-dependent arterial mechanics via a multiscale elastic approach. International Journal for Computational Methods in Engineering Science and Mechanics 14(2):141-151.

-Marino M, Vairo G (2012). Stress and strain localization in stretched collagenous tissues via a multiscale modeling approach. Computer Methods in Biomechanics and Biomedical Engineering. doi: 10.1080/10255842.2012.658043

-Maceri F, Marino M, Vairo G (2011). An insight on multiscale tendon modeling in muscle-tendon integrated behaviour. Biomechanics and Modeling in Mechanobiology 11(3-4):505-517.

– Vairo G, Cioffi M, Cottone R, Dubini G, Migliavacca F (2010). Drug release from coronary eluting stents: A multidomain approach. Journal of Biomechanics 43:1580-1589.

– Maceri F, Marino M, Vairo G (2010). From cross-linked collagen molecules to arterial tissue: a nano-micro-macroscale elastic model. Acta Mechanica Solida Sinica 23(S1):98-108.

– Maceri F, Marino M, Vairo G (2010). A unified multiscale mechanical model for soft collagenous tissues with regular fiber arrangement. Journal of Biomechanics 43:355-363.

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