Prehľad tkanivového inžinierstva

Schopnosť ľudského tela regenerovať tkanivá a orgány je mimoriadne neúčinná a strata ľudského tkaniva a orgánov sa môže ľahko stať v dôsledku vecí ako vrodené chyby, choroby a náhle traumy. Keď tkanivo odumrie (nazýva sa nekróza), nemožno ho vrátiť späť k životu - ak ho neodstránite alebo neopravíte, môže to mať vplyv na ďalšie oblasti tela, napríklad na okolité tkanivá, orgány, kosti a pokožku.

To je miesto, kde je užitočné tkanivové inžinierstvo. Použitím biomateriálu (látka, ktorá interaguje s biologickými systémami tela, ako sú bunky a aktívne molekuly), je možné vytvárať funkčné tkanivá, ktoré pomáhajú obnovovať, opravovať alebo nahrádzať poškodené ľudské tkanivá a orgány.

Stručná história

Tkanivové inžinierstvo je relatívne nová oblasť medicíny, pričom výskum sa začína až v 80. rokoch. Americký bioinžinier a vedec menom Yuan-Cheng Fung predložil Národnej vedeckej nadácii (NSF) návrh, aby sa výskumné centrum venovalo živým tkanivám. Fung prevzal koncept ľudského tkaniva a rozšíril ho tak, aby sa vzťahoval na akýkoľvek živý organizmus medzi bunkami a orgánmi.

Na základe tohto návrhu označil NSF výraz „tkanivové inžinierstvo“ v snahe vytvoriť novú oblasť vedeckého výskumu. To viedlo k vytvoreniu The Tissue Engineering Society (TES), ktorá sa neskôr stala medzinárodnou spoločnosťou Tissue Engineering and Regenerative Medicine (TERMIS).

TERMIS podporuje vzdelávanie a výskum v oblasti tkanivového inžinierstva a regeneratívnej medicíny. Regeneratívna medicína označuje širšiu oblasť, ktorá sa zameriava tak na tkanivové inžinierstvo, ako aj na schopnosť ľudského tela samoliečiť sa s cieľom obnoviť normálnu funkciu tkaniva, orgánov a ľudských buniek.

Účel tkanivového inžinierstva

Tkanivové inžinierstvo má v medicíne a výskume niekoľko hlavných funkcií: pomáha pri oprave tkanív alebo orgánov vrátane opravy kostí (kalcifikované tkanivo), tkanive chrupavky, srdcovom tkanive, tkanive pankreasu a vaskulárnom tkanive. Táto oblasť tiež vykonáva výskum správania kmeňových buniek. Kmeňové bunky sa môžu vyvinúť do mnohých rôznych typov buniek a môžu pomôcť pri opravách oblastí tela.

Oblasť tkanivového inžinierstva umožňuje výskumníkom vytvárať modely na štúdium rôznych chorôb, ako sú rakovina a srdcové choroby.

3D povaha tkanivového inžinierstva umožňuje študovať architektúru nádorov v presnejšom prostredí. Tkanivové inžinierstvo tiež poskytuje prostredie na testovanie potenciálnych nových liekov na tieto choroby.

Ako to funguje

Proces tkanivového inžinierstva je komplikovaný. Zahŕňa formovanie 3D funkčného tkaniva, ktoré pomáha opraviť, nahradiť a regenerovať tkanivo alebo orgán v tele. Za týmto účelom sa bunky a biomolekuly kombinujú s lešeniami.

Lešenia sú umelé alebo prírodné štruktúry, ktoré napodobňujú skutočné orgány (napríklad obličky alebo pečeň). Tkanivo rastie na týchto lešeniach, aby napodobnilo biologický proces alebo štruktúru, ktorú je potrebné vymeniť. Keď sú tieto bunky skonštruované spoločne, je pripravené nové tkanivo, ktoré replikuje stav starého tkaniva, keď nebolo poškodené alebo choré.

Lešenie, bunky a biomolekuly

Lešenia, ktoré sú zvyčajne tvorené bunkami v tele, je možné vyrábať zo zdrojov, ako sú napríklad bielkoviny v tele, umelo vyrobené plasty alebo z existujúceho lešenia, napríklad z darcovského orgánu. V prípade darcovského orgánu by sa lešenie skombinovalo s bunkami pacienta, aby sa vytvorili prispôsobiteľné orgány alebo tkanivá, ktoré by imunitný systém pacienta pravdepodobne odmietol.

Bez ohľadu na to, ako je formovaný, je to táto štruktúra lešenia, ktorá odosiela správy do buniek, ktoré pomáhajú podporovať a optimalizovať funkcie buniek v tele.

Správny výber buniek je dôležitou súčasťou tkanivového inžinierstva. Existujú dva hlavné typy kmeňových buniek.

Dva hlavné typy kmeňových buniek

• Embryonálne kmeňové bunky: pochádzajú z embryí, zvyčajne vo vajíčkach, ktoré boli oplodnené in vitro (mimo tela).
• Kmeňové bunky pre dospelých: nachádzajú sa vo vnútri tela medzi bežnými bunkami - môžu sa množiť delením buniek, aby doplnili odumierajúce bunky a tkanivá.

V súčasnosti sa tiež vykonáva veľa výskumov na pluripotentných kmeňových bunkách (dospelých kmeňových bunkách, u ktorých sa predpokladá, že sa správajú ako embryonálne kmeňové bunky). Teoreticky existuje neobmedzený prísun pluripotentných kmeňových buniek a ich použitie nezahŕňa otázku ničenia ľudských embryí (čo tiež spôsobuje etický problém). Vedci, ktorí získali Nobelovu cenu, zverejnili svoje nálezy o pluripotentných kmeňových bunkách a ich použití.

Celkovo biomolekuly zahŕňajú štyri hlavné triedy (aj keď existujú aj sekundárne triedy): sacharidy, lipidy, proteíny a nukleové kyseliny. Tieto biomolekuly pomáhajú vytvárať štruktúru a funkciu buniek. Sacharidy pomáhajú orgánom ako mozog a srdce, rovnako ako systémy fungujú rovnako ako tráviaci a imunitný systém.

Proteíny poskytujú protilátky proti choroboplodným zárodkom, ako aj štrukturálnu podporu a pohyb tela. Nukleové kyseliny obsahujú DNA a RNA, ktoré bunkám poskytujú genetické informácie.

Lekárske použitie

Tkanivové inžinierstvo sa pri starostlivosti alebo liečbe pacientov veľmi nepoužíva. Vyskytlo sa niekoľko prípadov, pri ktorých sa u pacientov použilo tkanivové inžinierstvo pri kožných štepoch, opravách chrupaviek, malých tepnách a močových mechúrach. Väčšie orgány tkanivového inžinierstva ako srdce, pľúca a pečeň sa však zatiaľ u pacientov nepoužívajú (aj keď boli vytvorené v laboratóriách).

Okrem rizikového faktora použitia tkanivového inžinierstva u pacientov sú postupy mimoriadne nákladné. Aj keď je tkanivové inžinierstvo užitočné, pokiaľ ide o lekársky výskum, najmä pri testovaní nových liekových formulácií.

Používanie živého a fungujúceho tkaniva v prostredí mimo tela pomáha vedcom dosiahnuť zisky v personalizovanej medicíne.

Personalizovaná medicína pomáha určiť, či niektoré lieky lepšie fungujú u určitých pacientov na základe ich genetickej výbavy, a tiež znižuje náklady na vývoj a testovanie na zvieratách.

Príklady tkanivového inžinierstva

Nedávny príklad tkanivového inžinierstva uskutočňovaný Národným ústavom pre biomedicínske zobrazovanie a bioinžinierstvo zahŕňa inžinierstvo ľudského pečeňového tkaniva, ktoré sa potom implantuje do myši. Pretože myš používa svoju vlastnú pečeň, ľudské pečeňové tkanivo metabolizuje lieky, čím napodobňuje, ako by ľudia reagovali na určité lieky vo vnútri myši. To pomáha vedcom zistiť, aké sú možné liekové interakcie s určitým liekom.

V snahe vytvoriť tkanivo so zabudovanou sieťou vedci testujú tlačiareň, ktorá by vytvorila vaskulárnu sieť z cukrového roztoku. Roztok by sa formoval a tvrdol v umelom tkanive, kým by sa do procesu nepridala krv, ktorá by cestovala cez umelo vyrobené kanály.

Nakoniec je ďalším projektom ústavu regenerácia obličiek pacienta pomocou vlastných buniek pacienta. Vedci použili bunky z darcovských orgánov na spojenie s biomolekulami a kolagénovým skeletom (z darcovského orgánu) na rast nového obličkového tkaniva.

Toto orgánové tkanivo sa potom testovalo na funkčnosť (napríklad vstrebávanie živín a produkciu moču) vonku aj potom vo vnútri potkanov. Pokrok v tejto oblasti tkanivového inžinierstva (ktorý môže obdobne fungovať aj pre orgány ako srdce, pečeň a pľúca) by mohol pomôcť pri nedostatku darcov a znížiť všetky choroby spojené s imunosupresiou u pacientov po transplantácii orgánov.

Ako to súvisí s rakovinou

Metastatický rast nádoru je jedným z dôvodov, prečo je rakovina hlavnou príčinou smrti. Pred tkanivovým inžinierstvom bolo možné vytvoriť prostredie nádoru iba mimo tela v 2D podobe. Teraz 3D prostredia, ako aj vývoj a využitie určitých biomateriálov (napríklad kolagénu), umožňujú výskumníkom skúmať prostredie nádoru až po mikroprostredie určitých buniek, aby zistili, čo sa stane s chorobou, keď sa zmení určité chemické zloženie v bunkách. .

Týmto spôsobom tkanivové inžinierstvo pomáha vedcom pochopiť progresiu rakoviny aj to, aké účinky môžu mať určité terapeutické prístupy na pacientov s rovnakým typom rakoviny.

Aj keď bol pokrok dosiahnutý v štúdiu rakoviny pomocou tkanivového inžinierstva, rast nádoru môže často spôsobiť tvorbu nových krvných ciev. To znamená, že aj napriek pokrokom, ktoré tkanivové inžinierstvo dosiahlo pri výskume rakoviny, môžu existovať obmedzenia, ktoré je možné eliminovať iba implantáciou upraveného tkaniva do živého organizmu.

Pri rakovine však môže tkanivové inžinierstvo pomôcť zistiť, ako sa tieto nádory formujú, ako by mali vyzerať bežné bunkové interakcie, ako aj to, ako rakovinové bunky rastú a metastázujú. To pomáha vedcom testovať lieky, ktoré ovplyvnia iba rakovinové bunky, na rozdiel od celého orgánu alebo tela.