Audinių inžinerijos apžvalga

Turinys

• Trumpa istorija
• Audinių inžinerijos tikslas
• Kaip tai veikia
• Medicininis naudojimas
• Kaip tai susiję su vėžiu

Žmogaus kūno gebėjimas regeneruoti audinius ir organus yra labai neefektyvus, o žmogaus audinių ir organų praradimas gali būti lengvas dėl įgimtų defektų, ligų ir staigių traumų. Kai audinys miršta (vadinamas nekroze), jo negalima atgaivinti. Jei jis nebus pašalintas ar pataisytas, jis gali paveikti kitas kūno vietas, pavyzdžiui, aplinkinius audinius, organus, kaulus ir odą.

Čia naudinga audinių inžinerija. Naudojant biomedžiagas (medžiagą, sąveikaujančią su organizmo biologinėmis sistemomis, tokiomis kaip ląstelės ir aktyvios molekulės), galima sukurti funkcinius audinius, kurie padėtų atkurti, atstatyti ar pakeisti pažeistus žmogaus audinius ir organus.

Trumpa istorija

Audinių inžinerija yra gana nauja medicinos sritis, moksliniai tyrimai pradedami tik devintajame dešimtmetyje. Amerikiečių bioinžinierius ir mokslininkas Yuan-Cheng Fung pateikė Nacionaliniam mokslo fondui (NSF) pasiūlymą dėl tyrimų centro, skirto gyviesiems audiniams. Fungas perėmė žmogaus audinio sampratą ir išplėtė ją taikant bet kurį gyvą organizmą tarp ląstelių ir organų.

Remdamasis šiuo pasiūlymu, NSF, siekdamas suformuoti naują mokslinių tyrimų sritį, pažymėjo sąvoką „audinių inžinerija“. Tai paskatino įkurti „Audinių inžinerijos draugiją“ (TES), kuri vėliau tapo Tarptautine audinių inžinerijos ir regeneracinės medicinos draugija (TERMIS).

„TERMIS“ skatina švietimą ir mokslinius tyrimus audinių inžinerijos ir regeneracinės medicinos srityse. Regeneracinė medicina reiškia platesnę sritį, kurioje dėmesys sutelktas tiek į audinių inžineriją, tiek į žmogaus kūno savęs išgydymą, siekiant atkurti normalią audinių, organų ir žmogaus ląstelių funkciją.

Audinių inžinerijos tikslas

Audinių inžinerija turi keletą pagrindinių funkcijų medicinoje ir moksliniuose tyrimuose: pagalba atliekant audinių ar organų atstatymą, įskaitant kaulų atstatymą (kalkėtą audinį), kremzlės audinius, širdies audinius, kasos audinius ir kraujagyslių audinius. Šioje srityje taip pat atliekami kamieninių ląstelių elgesio tyrimai. Kamieninės ląstelės gali išsivystyti į daugybę skirtingų tipų ląstelių ir gali padėti atkurti kūno vietas.

Audinių inžinerijos sritis leidžia mokslininkams sukurti įvairių ligų, tokių kaip vėžys ir širdies ligos, tyrimo modelius.

3D audinių inžinerijos pobūdis leidžia tirti naviko architektūrą tikslesnėje aplinkoje. Audinių inžinerija taip pat suteikia galimybę išbandyti naujus vaistus nuo šių ligų.

Kaip tai veikia

Audinių inžinerijos procesas yra sudėtingas. Tai apima 3D funkcinio audinio formavimą, kuris padėtų atstatyti, pakeisti ir regeneruoti audinį ar organą kūne. Norėdami tai padaryti, ląstelės ir biomolekulės sujungiamos su pastoliais.

Pastoliai yra dirbtinės arba natūralios struktūros, imituojančios tikrus organus (pvz., Inkstus ar kepenis). Ant šių pastolių audinys auga, kad imituotų biologinį procesą ar struktūrą, kurią reikia pakeisti. Juos sukonstravus, sukuriamas naujas audinys, kuris atkartotų senojo audinio būseną, kai jis nebuvo pažeistas ar susirgęs.

Pastoliai, ląstelės ir biomolekulės

Pastoliai, kuriuos paprastai sukuria kūno ląstelės, gali būti statomi iš tokių šaltinių kaip kūno baltymai, dirbtiniai plastikai arba iš esamų pastolių, pavyzdžiui, iš donoro organo. Donoro organo atveju pastoliai būtų derinami su paciento ląstelėmis, kad būtų pagaminti pritaikomi organai ar audiniai, kuriuos paciento imuninė sistema greičiausiai atmeta.

Nepaisant to, kaip ji formuojama, būtent ši pastolių struktūra siunčia pranešimus ląstelėms, kurios padeda palaikyti ir optimizuoti ląstelių funkcijas organizme.

Tinkamų ląstelių parinkimas yra svarbi audinių inžinerijos dalis. Yra du pagrindiniai kamieninių ląstelių tipai.

Du pagrindiniai kamieninių ląstelių tipai

• Embrioninės kamieninės ląstelės: kilę iš embrionų, paprastai kiaušinių, apvaisintų in vitro (už kūno ribų).
• Suaugusiųjų kamieninės ląstelės: randami kūno viduje tarp įprastų ląstelių - jie gali daugintis iš ląstelių dalijimosi, kad papildytų mirštančias ląsteles ir audinius.

Šiuo metu atliekama daugybė tyrimų su pluripotentinėmis kamieninėmis ląstelėmis (suaugusių kamieninių ląstelių, kurios skatinamos elgtis kaip embrioninės kamieninės ląstelės). Teoriškai yra neribotas pluripotentinių kamieninių ląstelių kiekis, o naudojant juos nereikia sunaikinti žmogaus embrionų (o tai sukelia ir etinę problemą). Tiesą sakant, Nobelio premijos laureatai paskelbė savo išvadas apie pluripotentines kamienines ląsteles ir jų panaudojimą.

Apskritai biomolekules sudaro keturios pagrindinės klasės (nors yra ir antrinių klasių): angliavandeniai, lipidai, baltymai ir nukleorūgštys. Šios biomolekulės padeda sukurti ląstelių struktūrą ir funkciją. Angliavandeniai padeda organams, tokiems kaip smegenys ir širdis, taip pat veikia tokios sistemos kaip virškinimo ir imuninė sistemos.

Baltymai suteikia antikūnų prieš mikrobus, taip pat struktūrinę atramą ir kūno judėjimą. Nukleorūgštyse yra DNR ir RNR, suteikiančios genetinę informaciją ląstelėms.

Medicininis naudojimas

Audinių inžinerija nėra plačiai naudojama pacientų priežiūrai ar gydymui. Buvo keli atvejai, kai audinių inžinerija buvo naudojama pacientams atliekant odos transplantaciją, kremzlės atstatymą, mažas arterijas ir šlapimo pūsles. Tačiau audinių inžinerijos būdu sukurti didesni organai, tokie kaip širdis, plaučiai ir kepenys, pacientams dar nebuvo naudojami (nors jie buvo sukurti laboratorijose).

Be rizikos faktoriaus, naudojant pacientų audinių inžineriją, procedūros yra labai brangios. Nors audinių inžinerija yra naudinga atliekant medicininius tyrimus, ypač bandant naujas vaistų formas.

Naudojant gyvą, veikiantį audinį ne kūno aplinkoje, mokslininkai gali gauti naudos iš individualizuotos medicinos.

Individuali medicina padeda nustatyti, ar kai kurie vaistai tam tikriems pacientams veikia geriau, atsižvelgiant į jų genetinę struktūrą, taip pat sumažina gyvūnų kūrimo ir bandymo išlaidas.

Audinių inžinerijos pavyzdžiai

Neseniai atliktas audinių inžinerijos pavyzdys, kurį atliko Nacionalinis biomedicininių vaizdų ir bioinžinerijos institutas, apima žmogaus kepenų audinio, kuris tada implantuojamas pelėje, inžineriją. Kadangi pelė naudoja savo kepenis, žmogaus kepenų audinys metabolizuoja vaistus, imituodamas, kaip žmonės reaguotų į tam tikrus pelės viduje esančius vaistus. Tai padeda mokslininkams suprasti, kokia gali būti vaistų sąveika su tam tikrais vaistais.

Siekdami sukurti audinį su įmontuotu tinklu, mokslininkai bando spausdintuvą, kuris iš cukraus tirpalo pagamintų į kraujagysles panašų tinklą. Tirpalas susidarytų ir sukietėtų inžinerijos audinyje, kol į procesą įpilta kraujo, keliaujančio žmogaus sukurtais kanalais.

Galiausiai, paciento inkstų regeneravimas naudojant paties paciento ląsteles yra dar vienas instituto projektas. Tyrėjai panaudojo donorų organų ląsteles, kad būtų sujungtos su biomolekulėmis ir kolageno pastoliais (iš donoro organo), kad išaugtų naujas inkstų audinys.

Tada buvo ištirtas šio organo audinio veikimas (pvz., Absorbuojant maistines medžiagas ir gaminant šlapimą) žiurkių išorėje ir viduje. Pažanga šioje audinių inžinerijos srityje (kuri taip pat gali veikti panašiai kaip organai, pvz., Širdis, kepenys ir plaučiai) gali padėti sumažinti donorų skaičių ir sumažinti bet kokias ligas, susijusias su organų persodinimo organų imunosupresija.

Kaip tai susiję su vėžiu

Metastazinis naviko augimas yra viena iš priežasčių, kodėl vėžys yra pagrindinė mirties priežastis. Prieš audinių inžineriją naviko aplinką buvo galima sukurti tik už kūno ribų 2D forma. Dabar 3D aplinka, taip pat tam tikrų biomedžiagų (pvz., Kolageno) kūrimas ir naudojimas leidžia tyrėjams pažvelgti į naviko aplinką iki tam tikrų ląstelių mikroaplinkos, kad sužinotų, kas atsitiks su liga, kai ląstelėse pasikeičia tam tikros cheminės kompozicijos .

Tokiu būdu audinių inžinerija padeda mokslininkams suprasti ir vėžio progresavimą, ir tai, koks tam tikrų terapinių metodų poveikis gali būti to paties tipo vėžiu sergantiems pacientams.

Nors pažanga padaryta tiriant vėžį naudojant audinių inžineriją, dėl naviko augimo dažnai gali atsirasti naujų kraujagyslių. Tai reiškia, kad net pažengus audinių inžinerijai, atliekant vėžio tyrimus, gali būti apribojimų, kuriuos galima pašalinti tik implantavus inžinerinį audinį į gyvą organizmą.

Sergant vėžiu, audinių inžinerija gali padėti nustatyti, kaip šie navikai formuojasi, kaip turėtų atrodyti normali ląstelių sąveika, taip pat kaip vėžinės ląstelės auga ir metastazuojasi. Tai padeda tyrėjams išbandyti vaistus, kurie paveiks tik vėžines ląsteles, o ne visą organą ar kūną.

Nauji būdai, kaip biomedžiagos keičia sveikatos priežiūrą