Przegląd inżynierii tkankowej

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

Tutaj przydaje się inżynieria tkankowa. Wykorzystując biomateriał (materia, która wchodzi w interakcje z systemami biologicznymi organizmu, takimi jak komórki i aktywne cząsteczki), można tworzyć funkcjonalne tkanki, które pomagają przywrócić, naprawić lub zastąpić uszkodzoną ludzką tkankę i narządy.

Krótka historia

Inżynieria tkankowa jest stosunkowo nową dziedziną medycyny, a badania rozpoczęły się dopiero w latach 80. XX wieku. Amerykański bioinżynier i naukowiec o nazwisku Yuan-Cheng Fung złożył do Narodowej Fundacji Nauki (NSF) propozycję utworzenia centrum badawczego poświęconego żywym tkankom. Fung przyjął koncepcję tkanki ludzkiej i rozszerzył ją, aby zastosować ją do dowolnego żywego organizmu między komórkami a narządami.

Opierając się na tej propozycji, NSF określiła 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 prawidłowego funkcjonowania tkanek, narządów i komórek ludzkich.

Cel inżynierii tkankowej

Inżynieria tkankowa pełni kilka głównych funkcji w medycynie i badaniach: pomaga w naprawie tkanek lub narządów, w tym w naprawie kości (tkanka zwapniona), tkanka chrzęstna, tkanka serca, tkanka trzustki i tkanka naczyniowa. W terenie 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.

Trójwymiarowa natura 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 procesem skomplikowanym. Polega na tworzeniu funkcjonalnej tkanki 3D, która pomaga naprawić, zastąpić i zregenerować tkankę lub narząd w ciele. W tym celu komórki i biomolekuły łączy się z rusztowaniami.

Rusztowania to sztuczne lub naturalne struktury, które naśladują prawdziwe narządy (takie jak nerki czy wątroba). Tkanka rośnie na tych rusztowaniach, naśladując proces biologiczny lub strukturę, którą należy wymienić. Kiedy są one konstruowane razem, nowa tkanka jest projektowana w celu odtworzenia stanu starej tkanki, gdy nie była uszkodzona lub chora.

Rusztowania, komórki i biomolekuły

Rusztowania, które normalnie są tworzone przez komórki w ciele, mogą być budowane ze źródeł takich jak białka w ciele, sztuczne tworzywa sztuczne lub z istniejącego rusztowania, na przykład z narządu dawcy. W przypadku narządu dawcy, rusztowanie byłoby połączone z komórkami pacjenta w celu wytworzenia dostosowanych narządów lub tkanek, które w rzeczywistości prawdopodobnie zostaną odrzucone przez układ odpornościowy pacjenta.

Niezależnie od tego, jak jest uformowana, to właśnie ta struktura rusztowania wysyła do komórek wiadomości, które pomagają wspierać i optymalizować funkcje komórek w organizmie.

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

Obecnie prowadzi się również wiele badań nad pluripotencjalnymi komórkami macierzystymi (dorosłymi komórkami macierzystymi, które są indukowane do zachowywania się jak embrionalne komórki macierzyste). Teoretycznie podaż pluripotencjalnych komórek macierzystych jest nieograniczona, a ich wykorzystanie nie wiąże się z kwestią niszczenia ludzkich embrionów (co również stanowi problem etyczny). W rzeczywistości naukowcy zdobywcy Nagrody Nobla opublikowali swoje odkrycia dotyczące pluripotencjalnych komórek macierzystych i ich zastosowań.

Ogólnie rzecz biorąc, biocząsteczki obejmują cztery główne klasy (choć istnieją również klasy drugorzędowe): węglowodany, lipidy, białka i kwasy nukleinowe. Te biomolekuły pomagają w tworzeniu struktury i funkcji komórki. Węglowodany pomagają narządom takim jak mózg i serce, a także systemom działa jak układ trawienny i odpornościowy.

Białka dostarczają przeciwciał przeciwko drobnoustrojom oraz wsparcia strukturalnego i ruchu ciała. Kwasy nukleinowe zawierają DNA i RNA, dając komórkom informację genetyczną.

Zastosowanie medyczne

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

Oprócz czynnika ryzyka związanego z zastosowaniem inżynierii tkankowej u pacjentów, zabiegi są niezwykle kosztowne. Chociaż inżynieria tkankowa jest pomocna, jeśli chodzi o badania medyczne, szczególnie podczas testowania nowych preparatów leków.

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

Przykłady inżynierii tkankowej

Niedawny przykład inżynierii tkankowej, przeprowadzony przez Narodowy Instytut Obrazowania Biomedycznego i Bioinżynierii, obejmuje inżynierię ludzkiej tkanki wątroby, która jest następnie wszczepiana myszy. Ponieważ mysz używa własnej wątroby, ludzka tkanka wątroby metabolizuje leki, naśladując reakcję ludzi na pewne leki wewnątrz myszy. Pomaga to naukowcom zobaczyć, jakie możliwe interakcje mogą wystąpić z określonym lekiem.

Próbując zaprojektować tkankę z wbudowaną siecią, naukowcy testują drukarkę, która z roztworu cukru tworzy sieć podobną do naczyń. Roztwór uformowałby się i stwardniał w zmodyfikowanej tkance, dopóki do procesu nie zostanie dodana krew, podróżująca przez kanały stworzone przez człowieka.

Wreszcie, kolejnym projektem Instytutu jest regeneracja nerek pacjenta z wykorzystaniem własnych komórek pacjenta. Naukowcy wykorzystali komórki z narządów dawcy do połączenia z biocząsteczkami i rusztowaniem kolagenowym (z narządu dawcy) w celu wyhodowania nowej tkanki nerkowej.

Tkanka narządowa została następnie przetestowana pod kątem funkcjonowania (takiego jak wchłanianie składników odżywczych i wytwarzanie moczu) zarówno na zewnątrz, jak i wewnątrz szczurów. Postęp w tej dziedzinie inżynierii tkankowej (która może również działać w podobny sposób na narządy takie jak serce, wątroba i płuca) może pomóc w niedoborach dawców, a także zmniejszyć wszelkie choroby związane z immunosupresją u pacjentów po przeszczepieniu narządów.

Jak to się ma do raka

Wzrost guza przerzutowego jest jedną z przyczyn, dla których rak jest główną przyczyną zgonów. Przed inżynierią tkankową środowiska nowotworowe można było tworzyć poza ciałem jedynie w formie 2D. Teraz środowiska 3D, a także rozwój i wykorzystanie niektórych biomateriałów (takich jak kolagen), pozwalają naukowcom spojrzeć na środowisko guza aż do mikrośrodowiska niektórych komórek, aby zobaczyć, co dzieje się z chorobą, gdy niektóre składy chemiczne w komórkach ulegają zmianie .

Chociaż poczyniono postępy w badaniach nad rakiem poprzez inżynierię tkankową, wzrost guza często może powodować powstawanie nowych naczyń krwionośnych. Oznacza to, że nawet przy postępie 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 te guzy się tworzą, jak powinny wyglądać normalne interakcje komórkowe, a także jak komórki rakowe rosną i dają przerzuty. Pomaga to naukowcom testować leki, które wpływają tylko na komórki rakowe, a nie na cały narząd lub ciało.