Technology integration for functional hierarchical investigation of musculoskeletal tissues and biomaterials

This thesis aims to shed light on the theme “Technology integration for functional hierarchical investigation of musculoskeletal tissues and biomaterials”. Before dealing with this topic, the necessary premise is properly defining the concepts related to the terms “hierarchical” and “functional”. In fact, “hierarchical” refers to the various levels of the structural arrangement of tissue extra-cellular matrix (ECM), where small molecules at the nanometric scale build up big molecules at the micrometric scale that, in turn, form the macro-architecture at the millimetric scale. “Functional” refers to the tissue function, or to the tissue in function, i.e. at work; the main function of the musculoskeletal tissues is mechanical, indeed. Moreover, the peculiar hierarchical structure of a tissue is at the base of its specific function. Therefore, revealing the structure-function relation in tissues permits to obtain a deeper and deeper knowledge of their physio-pathological status, increasing diagnosis and treatment potential; in fact, this in-depth analysis is important also in tissue engineering, where biomaterials and scaffolds aim to mimic target tissue structure and function. As general overview, this thesis collects all the scientific studies (i.e., 18 papers published in peer-reviewed journals) that describe the overall research activities performed at the IRCCS Istituto Ortopedico Rizzoli during my PhD journey in “Technology for Health” at the University of Brescia. Under the “hierarchy-function” umbrella, several activities have been realized and collected in this thesis; specifically, different studies have been performed on characterizing bone, cartilage, osteochondral, ligament, tendon and meniscus tissues. In some of them, the described investigations were performed in in vivo conditions, focusing either at the joint level or at the tissue level, whereas in the others the analyses were realized with an ex vivo approach, i.e. on biopsies, on tissues harvested from animal/cadaver donors or discarded from arthroplasty, and on pre-implant biomaterials/scaffolds. Indeed, the aspects of those latter studies that permitted an advancement with respect to the state-of-the-art, represent - at the same time - a challenge for the development of technological and methodological approaches that are applicable to an in vivo scenario. These aspects are: (i) the multi-scale investigation of a natural/artificial tissue, specifically at the nanometric/micrometric structural levels (which are scales characteristic of cell-ECM interactions); (ii) the description of the spatial arrangement of a tissue, that is often three-dimensional; (iii) the correlation between structural and functional investigations, especially if integrated in the very same assessment condition, e.g. of a tissue under mechanical stress; (iv) the multi-dimensional investigation, e.g. of biological and mechanical characteristics of a tissue. Pointing out those technological and methodological aspects more than the results of the studies in themselves is fundamental to highlight the importance of translating research from the “bench” to the “bedside” and of developing technologies and methodologies that are suitable to in vivo conditions, thus to reduce invasiveness end explore the real physio-pathological environment, with benefits for both the clinical and preclinical research (e.g. less animals, less pain).

Questa tesi si propone di fare luce sul tema “Integrazione tecnologica per l’indagine funzionale e gerarchica di tessuti e biomateriali muscoloscheletrici”. Prima di affrontare questo argomento, è fondamentale definire correttamente i concetti legati ai termini “gerarchico” e “funzionale”. “Gerarchico” si riferisce ai vari livelli di organizzazione strutturale della matrice extracellulare (ECM) dei tessuti, dove piccole molecole a scala nanometrica si assemblano in grandi molecole a scala micrometrica che, a loro volta, formano la macro-architettura a scala millimetrica. “Funzionale” si riferisce alla funzione del tessuto, ovvero al tessuto in funzione, cioè in attività; la funzione principale dei tessuti muscoloscheletrici è meccanica. Inoltre, la peculiare struttura gerarchica di un tessuto è alla base della sua specifica funzionalità. Pertanto, rivelare la relazione struttura-funzione nei tessuti consente di approfondire la conoscenza del loro stato fisiopatologico, aumentando il potenziale diagnostico e terapeutico; infatti, tale approfondimento è importante anche nell'ingegneria tessutale, dove biomateriali e scaffold mirano a imitare la struttura e la funzione del tessuto target. Come panoramica generale, questa tesi raccoglie tutti gli studi scientifici (cioè 18 articoli pubblicati su riviste peer-reviewed) che descrivono l’insieme delle attività di ricerca svolte presso l’IRCCS Istituto Ortopedico Rizzoli durante il mio percorso di dottorato in “Technology for Health” presso l’Università di Brescia. Sul tema “gerarchia-funzione”, sono state realizzate e raccolte diverse attività; in particolare, sono stati condotti studi per caratterizzare tessuti ossei, cartilaginei, osteocondrali, legamentosi, tendinei e meniscali. In alcuni di essi, le indagini descritte sono state eseguite in condizioni in vivo, sia a livello articolare sia a livello tessutale, mentre negli altri le analisi sono state realizzate con un approccio ex vivo, cioè su biopsie, su tessuti prelevati da donatori animali/cadaveri o scartati da artroplastica, e su biomateriali/scaffold preimpianto. Gli aspetti di questi ultimi studi che hanno permesso un avanzamento rispetto allo stato dell'arte rappresentano, allo stesso tempo, una sfida per lo sviluppo di approcci tecnologici e metodologici applicabili a uno scenario in vivo. Questi aspetti sono: (i) l'indagine multiscala di un tessuto naturale/artificiale, specificamente ai livelli strutturali nanometrici/micrometrici (che sono scale caratteristiche delle interazioni cellula-ECM); (ii) la descrizione dell’organizzazione spaziale di un tessuto, che è spesso tridimensionale; (iii) la correlazione tra indagini strutturali e funzionali, specialmente se integrate nelle stesse condizioni di test, ad esempio di un tessuto sotto stress meccanico; (iv) l'indagine multidimensionale, ad esempio delle caratteristiche biologiche e meccaniche di un tessuto. Sottolineare questi aspetti tecnologici e metodologici più che i risultati degli studi in sé è fondamentale per evidenziare l'importanza di trasferire la ricerca “from bench to bedside” e di sviluppare tecnologie e metodologie adatte a condizioni in vivo, riducendo così l'invasività ed esplorando il reale ambiente fisiopatologico, con benefici per la ricerca clinica e preclinica (ad esempio, meno animali, meno dolore).