Przegląd inżynierii tkankowej

Zdolność organizmu ludzkiego do regeneracji tkanek i narządów jest wyjątkowo nieefektywna, a utrata ludzkich tkanek i narządów może się łatwo zdarzyć z powodu wad wrodzonych, chorób i nagłych urazów. Kiedy tkanka umiera (zwana martwicą), nie można jej przywrócić do życia - jeśli nie zostanie usunięta lub naprawiona, może wpłynąć na inne obszary ciała, takie jak otaczające tkanki, narządy, kości i skórę.

Tutaj przydatna jest inżynieria tkankowa. Wykorzystując biomateriał (materię, która oddziałuje z systemami biologicznymi organizmu, takimi jak komórki i aktywne cząsteczki), można tworzyć funkcjonalne tkanki, które pomagają odnawiać, naprawiać lub zastępować uszkodzone tkanki i narządy ludzkie.

Krótka historia

Inżynieria tkankowa to stosunkowo nowa dziedzina medycyny, której badania rozpoczęły się dopiero w latach 80. Amerykański bioinżynier i naukowiec Yuan-Cheng Fung złożył wniosek do National Science Foundation (NSF) o utworzenie centrum badawczego poświęconego żywym tkankom. Fung przejął koncepcję tkanki ludzkiej i rozszerzył ją, aby zastosować ją do każdego żywego organizmu między komórkami i narządami.

Opierając się na tej propozycji, NSF określiło termin „inżynieria tkankowa”, starając się stworzyć nową dziedzinę badań naukowych. Doprowadziło to do powstania Towarzystwa Inżynierii Tkankowej (TES), które później przekształciło się w Międzynarodowe Towarzystwo Inżynierii Tkankowej i Medycyny Regeneracyjnej (TERMIS).

TERMIS promuje zarówno edukację, jak i badania w dziedzinie inżynierii tkankowej i medycyny regeneracyjnej. Medycyna regeneracyjna odnosi się do szerszej dziedziny, która koncentruje się zarówno na inżynierii tkankowej, jak i zdolności organizmu do samoleczenia w celu przywrócenia normalnego funkcjonowania tkankom, narządom i komórkom.

Cel inżynierii tkankowej

Inżynieria tkankowa ma kilka głównych funkcji w medycynie i badaniach: pomoc w naprawie tkanek lub narządów, w tym naprawie kości (tkanka zwapniona), tkance chrzęstnej, tkance serca, tkance trzustki i tkance naczyniowej. W tej dziedzinie prowadzone są również badania nad zachowaniem komórek macierzystych. Komórki macierzyste mogą rozwinąć się w wiele różnych typów komórek i mogą pomóc w naprawie obszarów ciała.

Dziedzina inżynierii tkankowej umożliwia naukowcom tworzenie modeli do badania różnych chorób, takich jak rak i choroby serca.

Trójwymiarowy charakter inżynierii tkankowej umożliwia badanie architektury guza w dokładniejszym środowisku. Inżynieria tkankowa zapewnia również środowisko do testowania potencjalnych nowych leków na te choroby.

Jak to działa

Proces inżynierii tkankowej jest skomplikowany. Polega na utworzeniu funkcjonalnej tkanki 3D, aby pomóc w naprawie, wymianie i regeneracji tkanki lub organu w ciele. Aby to zrobić, komórki i biocząsteczki łączy się z rusztowaniami.

Rusztowania to sztuczne lub naturalne struktury, które naśladują prawdziwe narządy (takie jak nerki lub wątroba). Tkanka rośnie na tych rusztowaniach, aby naśladować proces biologiczny lub strukturę, która wymaga wymiany. Kiedy są one konstruowane razem, nowa tkanka jest modyfikowana tak, aby odtworzyć stan starej tkanki, gdy nie była uszkodzona ani chora.

Rusztowania, komórki i biomolekuły

Rusztowania, które normalnie są tworzone przez komórki w ciele, mogą być budowane ze źródeł takich jak białka w organizmie, sztuczne tworzywa sztuczne lub z istniejącego rusztowania, takiego jak na przykład z narządu dawcy. W przypadku narządu dawcy rusztowanie byłoby połączone z komórkami pacjenta w celu wytworzenia narządów lub tkanek, które można dostosować do własnych potrzeb, i które prawdopodobnie zostałyby odrzucone przez układ odpornościowy pacjenta.

Niezależnie od tego, jak została utworzona, jest to struktura rusztowania, która wysyła do komórek wiadomości, które pomagają wspierać i optymalizować funkcje komórek w organizmie.

Pobieranie odpowiednich komórek jest ważną częścią inżynierii tkankowej. Istnieją dwa główne typy komórek macierzystych.

Dwa główne typy komórek macierzystych

• Embrionalne komórki macierzyste: pochodzą z zarodków, zwykle z jaj zapłodnionych in vitro (poza ciałem).
• Dorosłe komórki macierzyste: znajdują się w organizmie wśród zwykłych komórek - mogą rozmnażać się przez podział komórek, aby uzupełnić umierające komórki i tkanki.

Obecnie prowadzi się również wiele badań nad pluripotencjalnymi komórkami macierzystymi (dorosłe komórki macierzyste, które są indukowane tak, aby zachowywały się jak embrionalne komórki macierzyste). Teoretycznie istnieje nieograniczona podaż pluripotencjalnych komórek macierzystych, a ich wykorzystanie nie wiąże się z kwestią niszczenia embrionów ludzkich (co również stwarza problem etyczny). W rzeczywistości naukowcy, laureaci Nagrody Nobla, opublikowali swoje odkrycia dotyczące pluripotencjalnych komórek macierzystych i ich zastosowań.

Ogólnie rzecz biorąc, biocząsteczki obejmują cztery główne klasy (choć są też klasy drugorzędne): węglowodany, lipidy, białka i kwasy nukleinowe. Te biocząsteczki pomagają w tworzeniu struktury i funkcji komórki. Węglowodany pomagają narządom, takim jak mózg i serce, a także działają układom, takim jak układ pokarmowy i odpornościowy.

Białka zapewniają przeciwciała przeciwko zarazkom, a także wsparcie strukturalne i ruch ciała. Kwasy nukleinowe zawierają DNA i RNA, przekazując komórkom informację genetyczną.

Zastosowanie medyczne

Inżynieria tkankowa nie jest szeroko stosowana w opiece nad pacjentami lub leczeniu. Było kilka przypadków, w których wykorzystywano inżynierię tkankową w przeszczepach skóry, naprawie chrząstki, małych tętnicach i pęcherzach u pacjentów. Jednak większe narządy wytworzone metodami inżynierii tkankowej, takie jak serce, płuca i wątroba, nie były jeszcze stosowane u pacjentów (chociaż zostały stworzone w laboratoriach).

Oprócz czynnika ryzyka związanego ze stosowaniem inżynierii tkankowej u pacjentów, procedury są niezwykle kosztowne. Chociaż inżynieria tkankowa jest pomocna, jeśli chodzi o badania medyczne, szczególnie podczas testowania nowych formuł leków.

Wykorzystanie żywej, funkcjonującej tkanki w środowisku poza ciałem pomaga naukowcom osiągnąć postęp w medycynie spersonalizowanej.

Medycyna spersonalizowana pomaga określić, czy niektóre leki działają lepiej u niektórych pacjentów na podstawie ich składu genetycznego, a także zmniejsza koszty rozwoju i testowania na zwierzętach.

Przykłady inżynierii tkankowej

Niedawny przykład inżynierii tkankowej przeprowadzonej przez Narodowy Instytut Obrazowania Biomedycznego i Bioinżynierii obejmuje inżynierię tkanki wątroby ludzkiej, która jest następnie wszczepiana myszy. Ponieważ mysz wykorzystuje własną wątrobę, ludzka tkanka wątroby metabolizuje leki, naśladując reakcję ludzi na niektóre leki wewnątrz myszy. Pomaga to naukowcom zobaczyć, jakie mogą wystąpić interakcje z niektórymi lekami.

Starając się stworzyć tkankę z wbudowaną siecią, naukowcy testują drukarkę, która utworzyłaby sieć przypominającą naczynia krwionośne z roztworu cukru. Roztwór uformowałby się i stwardniał w zmodyfikowanej tkance, dopóki krew nie zostanie dodana do procesu, przemieszczając się przez kanały stworzone przez człowieka.

Wreszcie, kolejnym projektem Instytutu jest regeneracja nerek pacjenta z wykorzystaniem własnych komórek pacjenta. Naukowcy wykorzystali komórki z narządów dawców do połączenia z biomolekułami i rusztowaniem kolagenowym (z narządu dawcy), aby wyhodować nową tkankę nerkową.

Tkanka narządu została następnie przetestowana pod kątem funkcjonowania (np. Wchłaniania składników odżywczych i wytwarzania moczu) zarówno na zewnątrz, jak i wewnątrz szczurów. Postęp w tej dziedzinie inżynierii tkankowej (która może również działać podobnie w przypadku narządów takich jak serce, wątroba i płuca) może pomóc w niedoborze dawców, a także zmniejszyć liczbę chorób związanych z immunosupresją u pacjentów po przeszczepach narządów.

Jak to się ma do raka

Rozrost guza z przerzutami jest jedną z przyczyn, dla których rak jest główną przyczyną zgonów. Przed przystąpieniem do inżynierii tkankowej środowiska nowotworowe można było tworzyć jedynie poza ciałem w formie 2D. Teraz środowiska 3D, a także rozwój i wykorzystanie niektórych biomateriałów (takich jak kolagen), pozwalają naukowcom przyjrzeć się środowisku guza, aż do mikrośrodowiska określonych komórek, aby zobaczyć, co dzieje się z chorobą, gdy zmieniają się określone składy chemiczne w komórkach. .

W ten sposób inżynieria tkankowa pomaga naukowcom zrozumieć zarówno progresję raka, jak i wpływ niektórych metod terapeutycznych na pacjentów z tym samym typem raka.

Chociaż poczyniono postępy w badaniach nad rakiem za pomocą inżynierii tkankowej, wzrost guza może często powodować powstawanie nowych naczyń krwionośnych. Oznacza to, że nawet przy postępach inżynierii tkankowej w badaniach nad rakiem mogą istnieć ograniczenia, które można wyeliminować jedynie poprzez wszczepienie zmodyfikowanej tkanki do żywego organizmu.

Jednak w przypadku raka inżynieria tkankowa może pomóc ustalić, w jaki sposób powstają te guzy, jak powinny wyglądać normalne interakcje komórek, a także w jaki sposób komórki rakowe rosną i dają przerzuty. Pomaga to naukowcom testować leki, które będą oddziaływać tylko na komórki rakowe, a nie na cały narząd lub organizm.