Обзор тканевой инженерии

Способность человеческого тела регенерировать ткани и органы крайне неэффективна, и потеря человеческих тканей и органов может легко произойти из-за таких вещей, как врожденные дефекты, болезни и внезапные травмы. Когда ткань умирает (это называется некрозом), ее нельзя вернуть к жизни - если ее не удалить или не восстановить, это может повлиять на другие части тела, такие как окружающие ткани, органы, кости и кожа.

Вот где пригодится тканевая инженерия. Используя биоматериал (вещество, которое взаимодействует с биологическими системами организма, такими как клетки и активные молекулы), можно создавать функциональные ткани, которые помогают восстанавливать, восстанавливать или заменять поврежденные ткани и органы человека.

Краткая история

Тканевая инженерия - относительно новая область медицины, исследования которой начались только в 1980-х годах. Американский биоинженер и ученый по имени Юань-Ченг Фунг подал в Национальный научный фонд (NSF) предложение о создании исследовательского центра, посвященного живым тканям. Фунг взял понятие ткани человека и расширил его, применив его к любому живому организму, находящемуся между клетками и органами.

Основываясь на этом предложении, NSF назвал термин «тканевая инженерия», чтобы сформировать новую область научных исследований. Это привело к образованию Общества тканевой инженерии (TES), которое позже стало Международным обществом тканевой инженерии и регенеративной медицины (TERMIS).

TERMIS способствует как образованию, так и исследованиям в области тканевой инженерии и регенеративной медицины. Регенеративная медицина относится к более широкой области, которая фокусируется как на тканевой инженерии, так и на способности человеческого тела к самовосстановлению, чтобы восстановить нормальную функцию тканей, органов и человеческих клеток.

Цель тканевой инженерии

Тканевая инженерия выполняет несколько основных функций в медицине и исследованиях: помощь в восстановлении тканей или органов, включая восстановление костей (кальцинированной ткани), хрящевой ткани, сердечной ткани, ткани поджелудочной железы и сосудистой ткани. В этой области также проводятся исследования поведения стволовых клеток. Стволовые клетки могут превращаться во множество различных типов клеток и могут помочь в восстановлении участков тела.

Область тканевой инженерии позволяет исследователям создавать модели для изучения различных заболеваний, таких как рак и болезни сердца.

Трехмерная природа тканевой инженерии позволяет изучать архитектуру опухоли в более точных условиях. Тканевая инженерия также обеспечивает среду для тестирования потенциальных новых лекарств от этих болезней.

Как это устроено

Процесс тканевой инженерии сложен. Он включает формирование трехмерной функциональной ткани, которая помогает восстанавливать, заменять и регенерировать ткань или орган в организме. Для этого клетки и биомолекулы объединяют с помощью каркасов.

Каркасы - это искусственные или естественные структуры, имитирующие настоящие органы (например, почки или печень). Ткань растет на этих каркасах, имитируя биологический процесс или структуру, которую необходимо заменить. Когда они строятся вместе, создается новая ткань, которая воспроизводит состояние старой ткани, когда она не была повреждена или поражена.

Каркасы, клетки и биомолекулы

Каркасы, которые обычно создаются клетками в организме, могут быть построены из таких источников, как белки в организме, искусственные пластмассы или из существующих каркасов, например, из донорского органа. В случае донорского органа каркас будет объединен с клетками пациента, чтобы создать настраиваемые органы или ткани, которые фактически могут быть отвергнуты иммунной системой пациента.

Независимо от того, как он сформирован, именно эта каркасная структура отправляет сообщения клеткам, которые помогают поддерживать и оптимизировать клеточные функции в организме.

Выбор правильных клеток - важная часть тканевой инженерии. Есть два основных типа стволовых клеток.

Два основных типа стволовых клеток

• Эмбриональные стволовые клетки: происходят из эмбрионов, обычно из яиц, оплодотворенных in vitro (вне тела).
• Взрослые стволовые клетки: находятся внутри тела среди обычных клеток - они могут размножаться путем деления клеток, чтобы восполнить умирающие клетки и ткани.

В настоящее время проводится множество исследований плюрипотентных стволовых клеток (взрослых стволовых клеток, которые вынуждены вести себя как эмбриональные стволовые клетки). Теоретически существует неограниченное количество плюрипотентных стволовых клеток, и их использование не связано с проблемой уничтожения человеческих эмбрионов (что также вызывает этическую проблему). Фактически, исследователи, получившие Нобелевскую премию, опубликовали свои открытия о плюрипотентных стволовых клетках и их использовании.

В целом биомолекулы включают четыре основных класса (хотя есть и второстепенные классы): углеводы, липиды, белки и нуклеиновые кислоты. Эти биомолекулы помогают формировать клеточную структуру и функционировать. Углеводы помогают таким органам, как мозг и сердце, функционировать, а также системам, таким как пищеварительная и иммунная системы.

Белки обеспечивают антитела против микробов, а также обеспечивают структурную поддержку и движение тела. Нуклеиновые кислоты содержат ДНК и РНК, дающие клеткам генетическую информацию.

Медицинское использование

Тканевая инженерия не получила широкого распространения для лечения или ухода за пациентами. Было несколько случаев, когда использовалась тканевая инженерия в кожных трансплантатах, восстановлении хрящей, мелких артерий и мочевых пузырей у пациентов. Однако более крупные органы тканевой инженерии, такие как сердце, легкие и печень, еще не использовались у пациентов (хотя они были созданы в лабораториях).

Помимо фактора риска использования тканевой инженерии у пациентов, процедуры чрезвычайно дороги. Хотя тканевая инженерия полезна, когда дело доходит до медицинских исследований, особенно при тестировании новых лекарственных форм.

Использование живой, функционирующей ткани в окружающей среде за пределами тела помогает исследователям добиться успехов в персонализированной медицине.

Персонализированная медицина помогает определить, работают ли некоторые лекарства лучше для определенных пациентов на основе их генетической структуры, а также снижает затраты на разработку и тестирование на животных.

Примеры тканевой инженерии

Недавний пример тканевой инженерии, проведенный Национальным институтом биомедицинской визуализации и биоинженерии, включает инженерию ткани печени человека, которая затем имплантируется мыши. Поскольку мышь использует свою собственную печень, ткань печени человека метаболизирует лекарства, имитируя реакцию человека на определенные лекарства внутри мыши. Это помогает исследователям увидеть, какие возможные лекарственные взаимодействия могут иметь место с определенным лекарством.

Пытаясь создать ткань со встроенной сетью, исследователи тестируют принтер, который мог бы создать сосудистую сеть из раствора сахара. Раствор будет формироваться и затвердевать в искусственно созданной ткани, пока в процесс не добавится кровь, перемещающаяся по искусственным каналам.

Наконец, восстановление почек пациента с использованием собственных клеток - еще один проект института. Исследователи использовали клетки донорских органов для объединения с биомолекулами и коллагеновую основу (из донорского органа) для выращивания новой ткани почек.

Затем ткань этого органа проверяли на функционирование (например, поглощение питательных веществ и выработку мочи) как снаружи, так и внутри крыс. Прогресс в этой области тканевой инженерии (которая также может работать аналогичным образом для таких органов, как сердце, печень и легкие) может помочь с нехваткой доноров, а также уменьшить любые заболевания, связанные с иммуносупрессией у пациентов с трансплантацией органов.

Как это связано с раком

Метастатический рост опухоли - одна из причин того, что рак является ведущей причиной смерти. До тканевой инженерии окружающая среда опухоли могла быть создана вне тела только в 2D-форме. Теперь трехмерная среда, а также разработка и использование определенных биоматериалов (например, коллагена) позволяют исследователям взглянуть на среду опухоли вплоть до микросреды определенных клеток, чтобы увидеть, что происходит с болезнью при изменении определенного химического состава в клетках. .

Таким образом, тканевая инженерия помогает исследователям понять как прогрессирование рака, так и то, как определенные терапевтические подходы могут повлиять на пациентов с одним и тем же типом рака.

Хотя был достигнут прогресс в изучении рака с помощью тканевой инженерии, рост опухоли часто может вызывать образование новых кровеносных сосудов. Это означает, что даже с учетом достижений тканевой инженерии в исследованиях рака, могут быть ограничения, которые могут быть устранены только путем имплантации модифицированной ткани в живой организм.

Однако при раке тканевая инженерия может помочь установить, как формируются эти опухоли, как должны выглядеть нормальные клеточные взаимодействия, а также как раковые клетки растут и метастазируют. Это помогает исследователям тестировать лекарства, которые воздействуют только на раковые клетки, а не на весь орган или тело.