Sviluppo in vitro di una emi-cornea autologa umana in 3D: crescita di cellule epiteliali corneali umane su scaffold trasparenti e biocompatibili

According to the World Health Organization (WHO), diseases of the cornea are the fourth-largest cause of vision-loss globally. There is a universal need for both eye care and for restoring eye acuity and in future decades the projection remains critical. Eye diseases affect at least 2.2 billion people globally, both for vision impairment and blindness. Between those, more than 1 billion is a vision impairment that still needs to be addressed or that could have been intercepted. The cornea is the transparent interface between the eye and the external environment and due to its external location, the cornea could be damaged by injuries and infections. In the presence of significant stromal damage, one of the most used techniques to restore visual acuity is the allogeneic corneal transplantation (the keratoplasty procedure); in which for the transplantation is used a human donor cornea as a graft. The cornea can be replaced in its entirety (penetrating keratoplasty) or in part (lamellar keratoplasty). This procedure should be overcome due to the donor shortage and complications related to immunological rejection, glaucoma, and microbial keratitis, which still limit success. Therefore, a range of biomaterials is being evaluated as substitutes for the keratoplasty procedures. The intent is to find natural and biocompatible substrates for corneal reconstruction. Thus, it is important to consider the function and the anatomy of the human cornea as a forerunner for the evaluation of a variety of different biomaterials for corneal regeneration. The aim of this project is to reconstruct a fully autologous cornea, seeding primary human corneal cells on biocompatible scaffolds. Thanks to our previous knowledge and expertise on limbal stem cells cultivation and characterization, we firstly analyzed the correct attachment, colonization, and growth of human limbal keratinocytes on different biocompatible, transparent scaffolds. Since it is mandatory for our biomaterials to have specific properties useful for clinical transplantation, we analyzed: the natural origin, the biocompatibility, and the biodegradability. An appropriate biomaterial should have significant biomechanical strength and very high transparency. Thus, we explored these characteristics to select the best candidate for corneal reconstruction. The procedures for standardization were also optimized. Indeed, we have improved the manufacturing by controlling the cell seeding and selecting the appropriate characteristics of the selected natural scaffolds for the future use of the constructs for in vitro drug testing or for clinical purposes.

Secondo l'Organizzazione Mondiale della Sanità (OMS), le malattie della cornea sono la quarta causa di perdita della vista a livello globale. C'è una necessità universale sia per la cura oculare che per il ripristino dell'acuità oculare e nei decenni futuri la previsione rimane critica. Le malattie degli occhi colpiscono almeno 2,2 miliardi di persone in tutto il mondo, sia per problemi visivi che per cecità totale. Tra questi, più di 1 miliardo rappresenta una disabilità visiva che deve ancora essere affrontata o che si sarebbe potuta evitare. La cornea è l'interfaccia trasparente tra l'occhio e l'ambiente esterno e, a causa della sua posizione esterna, potrebbe essere danneggiata da lesioni e infezioni. In presenza di un danno stromale significativo, una delle tecniche più utilizzate per ripristinare l'acuità visiva è il trapianto di cornea allogenico (la procedura di cheratoplastica); in cui per il trapianto viene utilizzata una cornea di donatore umano come innesto. La cornea può essere sostituita nella sua totalità (cheratoplastica perforante) o in parte (cheratoplastica lamellare). Questa procedura dovrebbe essere superata a causa della carenza di donatori e delle complicazioni legate al rigetto immunologico, al glaucoma e alla cheratite microbica, che ancora limitano il successo. Pertanto, una vasta gamma di biomateriali viene sempre più presa in considerazione come sostituto della procedura di cheratoplastica. L'intento è quello di trovare substrati naturali e biocompatibili per la ricostruzione corneale. Pertanto, è importante considerare la funzione e l'anatomia della cornea umana come precursori per la valutazione di una varietà di diversi biomateriali per la rigenerazione corneale. Dunque, lo scopo di questo progetto è quello di ricostruire una cornea completamente autologa, seminando cellule corneali umane primarie su scaffold biocompatibili. Grazie alla nostra precedente conoscenza ed esperienza sulla coltivazione e caratterizzazione di cellule staminali limbari, abbiamo innanzitutto analizzato il corretto attaccamento, colonizzazione e crescita dei cheratinociti limbari umani su diversi scaffold biocompatibili e trasparenti. inoltre, poiché è importante che i nostri biomateriali abbiano proprietà specifiche utili per il trapianto clinico, abbiamo analizzato: l'origine naturale, la biocompatibilità e la biodegradabilità. Oltretutto, un biomateriale appropriato dovrebbe avere una forza biomeccanica significativa e una trasparenza molto elevata. Pertanto, abbiamo esplorato queste caratteristiche per selezionare il miglior candidato per la ricostruzione corneale. Infine, abbiamo ottimizzato anche le procedure per la standardizzazione. Infatti, abbiamo migliorato la realizzazione del nostro costrutto, controllando la semina cellulare e selezionando le caratteristiche appropriate degli scaffold naturali analizzati; al fine di utilizzare, in futuro, questi scaffold per test farmacologici in vitro o per scopi clinici.