Fibrina

La fibrina  è proteina fibrosa non globulare di colore bianco insolubile formata dal fibrinogeno mediante l’azione della trombina, in particolare nella coagulazione del sangue che svolge un importante ruolo biologico nell’infezione, nell’infiammazione, nell’immunologia e nella guarigione delle ferite.

La fibrina, scoperta dal biologo e medico italiano Marcello Malpighi nel 1666, è un biomateriale biocompatibile adatto alla crescita e alla differenziazione cellulare con proprietà adeguate per rigenerare la cartilagine danneggiata.

Grazie alla resistenza meccanica, all’elasticità e alla natura a maglie, la fibrina è stata utilizzata come sigillante per procedure chirurgiche e recentemente come impalcatura di idrogel per l’ingegneria della cartilagine. Un vantaggio degli scaffold di questa proteina è che presentano una velocità di degradazione controllabile per adattarsi alla rigenerazione dei tessuti ospiti

Biosintesi della fibrina

Il plasma sanguigno umano contiene normalmente circa 1.5-3.5 g/L di fibrinogeno, che viene convertito in fibrina insolubile tramite scissione, catalizzata dalla trombina, di due coppie di fibrinopeptidi che espone siti di legame nel nodulo centrale complementari ai siti costitutivamente disponibili alle estremità della molecola.

Di conseguenza, la polimerizzazione della fibrina procede tramite interazioni semi-sfalsate che portano all’aggregazione laterale di protofibrille a due filamenti per formare fibre, che si ramificano per formare una rete tridimensionale

Deriva dal fibrinogeno che è un componente del sangue in cui svolge un ruolo importante nella funzione emostatica ed è anche correlato a processi cellulari come proliferazione, differenziazione, adesione, migrazione, guarigione, infiammazione e angiogenesi.

Il fibrinogeno è una lunga glicoproteina (340 Kda) composta da un dimero di tre catene polipeptidiche legate da disolfuro chiamate Aα (66.500 Da), Bβ (52.000 Da) e γ (46.500 Da) ed è costituito da due regioni globulari D e una regione globulare centrale E, ciascuna con una parte di spirali avvolte α-elicoidali.

Il fibrinogeno viene trasformato in monomeri di fibrina durante la coagulazione del sangue a causa della trombina, che scinde il fibrinopeptide A (FpA) e il fibrinopeptide B (FpB) dai siti N-terminali delle catene Aα e Bβ del fibrinogeno.

A questo punto le fibre costituite da due nano peptidi di fibrina semi-sfalsati con una struttura simile a quella cristallina, possono raggiungere una dimensione di 100 nm. Dopo la scissione di FpAs ciascuna catena α ha una nuova sequenza sul N-terminale (Gly-Pro-Arg), quindi queste fibre possono unirsi e formare una maglia reticolata.

Inizia così l’assemblaggio della fibrina esponendo un sito di polimerizzazione chiamato EA che si combina con una tasca di legame complementare costitutiva nel dominio D (Da) per formare l’associazione iniziale EA:Da formando legami intermolecolari ε-((γ-glutamil) lisina, causando fibrille a doppio filamento attorcigliate mediante l’allineamento in una disposizione sfalsata del dominio estremità-centro sovrapposto.

I legami incrociati g-g si formano tra la glutammina 398 o 399 e la lisina 406, ed inoltre si formano altri legami flessibili come i legami incrociati a–a Gln-221, -237, -328, -366 e Lys-418, -448, -508, -539, -556, -580 e -601, che conferiscono particolari proprietà meccaniche ed elastiche.

La regione C-terminale di ciascuna catena C del fibrinogeno o della fibrina contiene un sito di reticolazione al fattore XIII o XIIIa, che è una glicoproteina eterologa composta da due subunità A e due subunità B, che è un fattore della coagulazione. Il fattore XIII è il fattore emostatico responsabile della reticolazione dei monomeri di fibrina instabili in una forte rete di polimeri di fibrina complessa.

I legami incrociati conferiscono integrità strutturale e stabilizzano il coagulo contro insulti proteolitici e meccanici grazie alla formazione di legami isopeptidici, passando da uno stato solubile a uno insolubile reticolato da legami covalenti stabili ε-(γ-glutamil)-lisina.

Questi legami incrociati stabilizzano meccanicamente la molecola contro lo stress da taglio, consentono la ritenzione dei globuli rossi all’interno del coagulo e proteggono il coagulo dalla degradazione prematura.

Proprietà biomeccaniche 

Le proprietà meccaniche della fibrina sono uniche, in quanto è un polimero viscoelastico, il che significa che ha sia caratteristiche elastiche reversibili che proprietà plastiche o viscose irreversibili, e subisce un irrigidimento da deformazione, o un aumento della rigidità a sollecitazioni elevate, il che aiuta a prevenire danni in condizioni difficili

Le sue proprietà differenziano questa molecola dalla maggior parte degli altri fattori di coagulazione. Le singole fibre presentano infatti una notevole estensibilità ed elasticità e possono essere allungate di circa il 330% senza rompersi, in modo simile a quanto accade nella seta del ragno.

Ciò suggerisce che i monomeri all’interno delle fibre possono subire riarrangiamenti strutturali sostanziali e reversibili che possono adattarsi allo stiramento della fibrina che può verificarsi nel flusso e durante la guarigione delle ferite.

Centrale per le caratteristiche biofisiche della fibrina è la sua capacità di essere reticolata dalla transglutaminasi, enzima che viene attivato dalla trombina che  introduce legami covalenti tra catene γ, generando dimeri γ-γ, tra catene γ e α generando specie ad alto peso molecolare e tra catene di fibrina e altre proteine ​​plasmatiche.

La reticolazione ha effetti importanti sull’integrità della fibra e della rete di fibrina e ha l’effetto di aumentare la compattazione dei monomeri di fibrina all’interno della fibra ma ha effetti relativamente minori sulla densità della rete. Tuttavia, la reticolazione diminuisce significativamente l’estensibilità e l’elasticità delle fibre di fibrina e aumenta la rigidità delle fibre di circa 2 volte. La reticolazione stabilizza anche i punti di ramificazione della fibrina, proteggendo queste regioni dalla rottura. In generale, la reticolazione della catena γ della fibrina modifica l’elasticità del coagulo cambiando il comportamento di estensione della forza protofibrillare

Contrazione del coagulo di sangue

La fibrina è essenziale per la contrazione del coagulo di sangue che consiste nel restringimento spontaneo del coagulo, e svolge un ruolo nell’emostasi, nella guarigione delle ferite e nel ripristino del flusso sanguigno oltre i trombi ostruttivi.

La forza trainante della contrazione del coagulo sono le piastrine attivate che generano forze contrattili dovute all’interazione intracellulare dell’actina e della miosina IIa non muscolare. Queste forze contrattili si propagano attraverso la rete di fibrina a causa delle forti interazioni piastrine-fibrina mediate dal recettore adesivo piastrinico attivato integrina αIIbβ3.

Man mano che la contrazione del coagulo progredisce, si verifica una ridistribuzione delle piastrine e della fibrina sulla superficie del coagulo a contatto e la compattazione meccanica degli eritrociti nel nucleo, in modo tale che assumano una forma poliedrica; per questo motivo sono stati chiamati poliedrociti.

La fibrina è essenziale per la contrazione del coagulo perché propaga le forze contrattili generate dalle piastrine attraverso l’intera rete che comprende un coagulo o trombo. La struttura e le proprietà reologiche dei gel di fibrina sono importanti perché determinano il grado di contrazione mediata dalle piastrine. Le proprietà del coagulo a loro volta sono governate dai diametri delle fibre, dalla ramificazione e dalla densità della rete 24 e dal grado di reticolazione della fibrina mediata dal fattore XIIIa.

Pertanto la contrazione del coagulo mediata dalla fibrina e guidata dalle piastrine può svolgere un ruolo importante nel prevenire la perdita di sangue, ridurre il volume del coagulo e ripristinare il flusso sanguigno oltre i trombi altrimenti ostruttivi.

Pertanto dopo l’inizio del trombo venoso, la trombina converte il fibrinogeno in fibrina che intrappola le cellule residenti e le piastrine attivate si contraggono, comprimendo le cellule all’interno del nucleo del trombo. La massa risultante, che contiene abbondanti globuli rossi altamente compressi, è solida e relativamente impermeabile agli enzimi fibrinolitici.

È importante notare che gli eventi che mediano questo effetto si verificano rapidamente dopo l’inizio del trombo, quando la contrazione del coagulo mediata dalle piastrine applica forza alla rete di fibrina e al suo contenuto cellulare.

Riparazione della cartilagine

Grazie alla resistenza meccanica, all’elasticità e alla natura a maglie, si è utilizzata come sigillante per procedure chirurgiche e recentemente come impalcatura di idrogel per l’ingegneria della cartilagine.

Per aumentare la loro resistenza meccanica,  si sono combinati i scaffold di fibrina con diversi biomateriali, come l’acido polilattico-co-glicolico (PLGA), l’acido ialuronico (HA), il chitosano–alginato, il policaprolattone (PCL) e, sebbene i risultati siano stati promettenti, aumentando di circa 60 volte la resistenza meccanica della fibrina, in alcuni casi, eguagliano la cartilagine articolare, non è stato ancora possibile sviluppare un’impalcatura in grado di eguagliare tutte le proprietà della cartilagine.

Un vantaggio di questi scaffold  è quello di presentare una velocità di degradazione controllabile per adattarsi alla rigenerazione dei tessuti ospiti. Questa degradazione dipende dall’attività fibrinolitica della plasmina che produce una serie di frammenti più piccoli generalmente chiamati prodotti di degradazione della fibrina.

A causa della degradazione relativamente rapida della fibrina e della sua instabilità intrinseca, il suo utilizzo come scaffold potrebbe essere problematico nei casi in cui sono richieste una certa stabilità e resistenza dal biomateriale, come nel caso della riparazione della cartilagine articolare.

La resistenza dell’impalcatura di fibrina alla degradazione può essere ottenuta reticolando le fibre o aggiungendo inibitori della fibrinolisi. Si sono utilizzate alcune molecole questo scopo, tra cui aprotinina, acido tranexamico o acido amminocaproico. Tali modifiche alla matrice non interferiscono con le proprietà del biomateriale. Esse preservano le caratteristiche che favoriscono la crescita cellulare, l’adesione, la proliferazione e la formazione di matrice extracellulare.

La fibrina fornisce una matrice ideale in cui le cellule possono migrare ma può essere ulteriormente manipolata per migliorare le sue proprietà naturali. La modifica su scala macroscopica si ottiene alterando il processo di polimerizzazione, che dipende dalle concentrazioni di sale e/o trombina, dal pH e dall’incorporazione di altri polimeri come il glicole polietilenico.

L‘idrossiapatite combinata con la fibrina stabilizza le proprietà osteoconduttive. Queste proprietà possono portare a una rigenerazione ossea di successo nella chirurgia maxillo-facciale e dentale. Inoltre,  si sono  utilizzate le piastrine in questa combinazione per migliorare ulteriormente le proprietà meccaniche e inoltre, queste combinazioni migliorano persino la guarigione delle ferite

Chimicamo la chimica online perché tutto è chimica