مقاربات تجريبية لهندسة الأنسجة

اسمي علي كماسي وأنا حاليا أستاذ مساعد في قسم العلوم الصحية والتكنولوجيا بجامعة هارفارد. ولدي موعد مشترك مع كلية الطب بجامعة هارفارد ، وتحديدا في مستشفى بريغهام والنساء ، وهي شركة تابعة لكلية الطب بجامعة هارفارد. ومجالات بحثي هي في هندسة الأنسجة المجهرية ومنطقة المناطق الأحيائية.

لذا فإن خلفيتي أكاديمية هي أكثر ، وبدأت في البداية في الهندسة الكيميائية. لقد حصلت على درجة البكالوريوس في الهندسة الكيميائية في جامعة تورنتو ، وبعد ذلك أصبحت مهتما جدا بالهندسة الأكثر توجها نحو علم الأحياء. لذلك حصلت على درجة الماجستير في الهندسة الطبية الحيوية في جامعة تورنتو ، وعملت على وجه التحديد في تمايز الخلايا الجذعية.

ثم جئت إلى معهد ماساتشوستس للتكنولوجيا وحصلت على درجة الدكتوراه مع أستاذ روبرت لانجر في الهندسة الحيوية. وبعد ذلك ، بعد بضعة أشهر من مرحلة ما بعد الدكتوراه ، انضممت إلى منصبي الحالي. مجالات البحث التي نركز عليها هي في الحقيقة في الواجهة بين علم الأحياء والهندسة وعلوم المواد.

لذا ، وما نحاول القيام به هو محاولة معالجة الأسئلة التي كان علماء الأحياء الحيوية يحاولون الإجابة عليها لفترة طويلة ، ولكن محاولة القيام بذلك بطريقة لم يكن من الممكن القيام بها سابقا من خلال إدخال تقنيات جديدة ووجهات نظر جديدة ، لفهم هذه الأسئلة. وإحدى المشاكل الطبية الرئيسية التي نحاول معالجتها هي في الحقيقة هذا النقص في الأعضاء. كيف ننتج أعضاء ثلاثية الأبعاد يمكن زرعها بحيث ، كما تعلمون ، من الواضح أن هناك نقصا كبيرا في الأعضاء الاحترافية ، ويحتاج العديد من المرضى إلى أعضاء قابلة للزرع وهناك قوائم انتظار ضخمة.

لذا فإن أحد الأشياء التي نتحدث نحن وغيرنا من الأشخاص في مجال هندسة الأنسجة ونحاول القيام بها هو محاولة توليد مناهج حيث يمكننا صنع الأنسجة الاصطناعية. وعلى نفس المفهوم، إحدى المشكلات الرئيسية الموجودة الآن، وهي أيضا في اكتشاف الأدوية وإيجاد أدوية جديدة، هي كيف ننتج نماذج أفضل تمثل الأنسجة خارج الجسم حتى نتمكن من اختبار الأدوية والمواد الكيميائية ومعرفة آثارها على هذا النوع من الأنسجة. وبعد ذلك بمجرد أن نتمكن من القيام بذلك بشكل صحيح ، عندها يمكننا أن يكون لدينا سلوك تنبؤي أفضل بكثير للعقاقير التي ستكون فعالة بالفعل.

لذلك ليس لديك ، كما تعلمون ، عمليات سحب الأدوية بعد الموافقة عليها والآثار الجانبية ويمكنك الحصول على عملية اكتشاف أفضل بكثير للأدوية. أجهزة الموائع الدقيقة هي قسم فرعي مما نسميه التقنيات الدقيقة. وماذا عن هذه التقنيات الدقيقة ، ربما سأشرح ما يبدأ بذلك.

ما يحاولون القيام به هو محاولة تقليد تعقيد الأنسجة البيولوجية أو الأنظمة البيولوجية. لذا فإن معظم الخلايا تدور حول عشرات الميكرومترات. ولفهم الخلايا حقا في هذه الأبعاد، يجب أن يكون لديك تقنيات لتكون قادرا على هندسة ما تراه الخلية وما تستشعر به الخلية بمقاييس الطول التي تتراوح من أصغر بكثير من 10 ميكرومتر إلى أكبر من 10 ميكرومترات.

لذلك يمكنك الحصول على خلايا فردية وتكون قادرا على ذلك ، لتكون قادرا على التلاعب بمحيطها. لذا فإن ما يسمح لنا نظام مثل الموائع الدقيقة بالقيام به هو المحاولة ، ويسمح لنا بالتحكم الصارم للغاية في كيفية توصيل العوامل القابلة للذوبان إلى الخلايا. لذا فإن مثالا على ذلك هو القدرة على الحصول على قناة ميكروفلويديك وتوليد تدرج تركيز أ أو كيموكين أو عامل نمو أو سيتوكين هناك.

وما يسمح لنا بالقيام به الآن هو محاولة تقليد ما يحدث أثناء التطور الطبيعي أو داخل الأنظمة البيولوجية حيث توجد تدرجات تركيز في جميع أنحاء الكائن الحي الذي يخبر الخلية بالفعل بما يجب أن تفعله. إذن ماذا مع أنظمة الموائع الدقيقة ، يمكننا توليد هذه الأنواع من التعقيد البيولوجي بطريقة سريعة جدا يتم التحكم فيها ثم تحليل سلوك الخلية مباشرة ، في التعرض لهذا النوع من تدرجات التركيز أو الإشارات البيولوجية الموجهة بيولوجيا ومكانيا. لذا نشأت هندسة الأنسجة على الأرجح الآن منذ حوالي 20 أو 30 عاما بفكرة محاولة استخدام الخلايا القابلة للزرع ودمجها مع المواد حتى نتمكن ، كما تعلمون ، من إنتاج أنسجة ثلاثية الأبعاد أفضل وبدأت في البداية من قبل أشخاص يحاولون الحصول على مواد قابلة للتحلل ، وصنع رغوة منها.

وهكذا ، كما تعلمون ، إنها هياكل مسامية للغاية. ثم زرع هذه الرغوة بالخلايا. لذلك عندما تتحرك الخلايا داخل هذه الرغوة ، فإنها تستقر في أماكن معينة ومع مرور الوقت ، ستبدأ الخلايا في ترسيب مصفوفة بيولوجية خاصة بها.

وبما أن هذه المواد قابلة للتحلل البيولوجي ، فإن المواد تتحلل بمرور الوقت وما تبقى لك هو نسيج بيولوجي بالكامل. وكان هذا النهج مفيدا بشكل خاص لبعض الأعضاء الأبسط ، مثل أشياء مثل الغضاريف. وكانت هناك بالفعل أشياء مثل بشرتنا الاصطناعية التي تمت الموافقة عليها بالفعل من قبل إدارة الغذاء والدواء.

لذلك كان قابلا للتطبيق سريريا. حيث يمكن أن يستخدم هذا النهج مزيدا من المساعدة فيما يتعلق بالهياكل الأكثر تعقيدا مثل القلب حيث ، أو الكبد ، حيث يكون لديك بالفعل تفاعلات خلايا خلوية خاضعة للرقابة للغاية وتعقيد وبنية خاضعة للرقابة على نطاق صغير. لذا فإن إحدى الأفكار الأصلية في هندسة الأنسجة ، والتي كانت أنه عندما تضع الخلايا ، تعيد الخلايا ترتيب نفسها لتوليد بعض هذا التعقيد الذي تراه في الجسم الطبيعي.

لكن هذا ، وهذا يحدث إلى حد ما ، لكنه لا يحدث على طول الطريق. لذا فإن العضو المصمم للأنسجة على مستوى البنية المجهرية ، فإنه لا يزال مختلفا عن الأنسجة البيولوجية الأصلية حقا. وذلك لأن الخلايا لا تتجمع كما تفعل تماما أثناء وأثناء التطور.

لذا ما نحاول القيام به هو ، فيما يتعلق بالمقياس الدقيق وهندسة الأنسجة المتحركة على النطاق المصغر ، هو محاولة استعادة هذا التعقيد. فكيف نفعل ذلك؟ إذن ، وما هي التعقيدات التي نريد توليدها؟

حسنا ، أحد الأشياء هو أن أنسجة الأوعية الدموية شديدة جدا وتلك الإمدادات ، التي تزود الأنسجة بالأكسجين والمواد المغذية والأشياء الأخرى التي تحتاجها. لذا في الوقت الحالي من الصعب جدا الوصول إلى هندسة هياكل كبيرة من الأنسجة والقدرة على تزويد جميع الخلايا بالكميات المناسبة من العناصر الغذائية والأكسجين. أحد الأشياء التي تسمح لنا التقنيات الدقيقة بالقيام بها هو في الواقع من المحتمل أن نهندس الأوعية الدموية الدقيقة مباشرة في هياكلنا ثلاثية الأبعاد.

شيء آخر تسمح لنا التقنيات الدقيقة بالقيام به هو محاولة التحكم في كيفية تفاعل أنواع الخلايا المختلفة داخل هذا الهيكل ثلاثي الأبعاد. لذلك قد ترغب في أن يكون لديك ، كما تعلمون ، نوع خلية في بنية معينة ويكون لديك نوع خلية ثانوي بجانبه تماما كما هو الحال في الجسم. وباستخدام تقنيات الصغر ، يمكننا محاولة استعادة هذا النوع من الأشكال الهندسية والتعقيدات الموجودة في الجسم داخل هيكلنا ثلاثي الأبعاد.

لذلك لا يتعين علينا بالضرورة أن نأمل في أن يتجمعوا ذاتيا مباشرة داخل السقالات. هناك عدد من التحديات. أحد التحديات الرئيسية فيما يتعلق بكيفية هندسة الأنسجة هو حقا ، حتى لو صنعنا نسيجا ثلاثي الأبعاد ، ما زلنا نريد أن يكون وظيفيا وهناك مجموعة متنوعة من وظائف التمثيل الغذائي الميكانيكية والكيميائية الحيوية التي تقوم بها الأنسجة الطبيعية ، والتي تحتاجها هذه الأعضاء المهندسة للأنسجة ، كما تعلمون ، لاستعادة وتقليدها بشكل أساسي.

إذن ما كان مشكلة في الوقت الحالي هو أن العديد من الأعضاء المهندسة للأنسجة لا ترقى إلى مستوى أدائها البيولوجي الأصلي. وجزء من المشكلة هو فيما يتعلق بأنواع المواد التي نستخدمها الآن ، فهي ليست بالضرورة محسنة لمجموعة متنوعة من التطبيقات المختلفة. وكما تعلمون ، نحن ، حاليا ، ما زلنا بحاجة حاليا إلى فهم بيولوجيا التطور وبيولوجيا التئام الجروح بشكل أفضل لنكون قادرين على إعادة تهيئة الظروف التي تسمح للخلايا الموجودة داخل هذه السقالات ثلاثية الأبعاد بالذهاب حقا إلى ما تعرفه ، أنها ستفعل في الجسم أثناء التطور الطبيعي أو التئام الجروح الطبيعي حتى نتمكن من الحصول على هياكل نهائية تحاكي في الواقع متجددة حقا أو ، كما تعلمون ، الأنسجة المتطورة.

ولا يزال علم الأحياء قيد الاستكشاف والتطوير. لذا ، كما تعلمون ، هذا شيء واحد هو علم الأحياء ، والآخر هو مواد أفضل. وأخيرا ، أعتقد أن المشكلة الكبيرة لا تزال مصدر الخلية.

كما تعلم ، لهذا السبب من المهم حقا محاولة استكشاف مصادر الخلايا البديلة لأن خلايا الجسم لدينا ، كما تعلمون ، هي ، كما تعلمون ، الخلايا الجذعية البالغة هي مصدر محتمل للخلايا يمكن أن يكون قابلا للحياة. أيضا أشياء مثل الأساليب الجنينية والجديدة التي يجدها الناس باستخدام ، كما تعلمون ، باستخدام خلايا الجلد أو الخلايا الأخرى للحصول على خلايا بدائية للغاية حيث يمكنك محاولة توجيه تمايزها والحصول على مصدر قابل للحياة للخلايا. لذلك أود أن أقول إن هذه ثلاث مشاكل رئيسية ، كما تعلمون ، مواد أفضل ، فهم علم الأحياء بشكل أفضل والحصول على مصدر خلوي أفضل في غضون السنوات الخمس المقبلة.

سيكون هناك الكثير من التغييرات فيما يتعلق بجعل هذه التقنيات الدقيقة قابلة للتطبيق على نطاق واسع لكل من علماء الأحياء ومهندسي الأنسجة. أعتقد أن الكثير من الناس يدركون الآن مدى أهمية دراسة كل من علم الأحياء وتوليد الأنسجة بدقة دقيقة. وأعتقد أنه سيكون اتجاها مستمرا للغاية ، كما تعلمون ، للسنوات القليلة المقبلة.

وأعتقد أن جانبا آخر هو أنه سيكون هناك الكثير من التفاعل بين الأشخاص في المنتج النهائي ، سواء كان ذلك الأطباء السريريين ، كما تعلمون ، إدارة الغذاء والدواء أو الوكلاء التنظيميين الآخرين وكما تعلمون ، بشكل أساسي ورجال الأعمال. لذلك هناك ، سيكون هناك المزيد والمزيد من التفاعل مع هذه الكيانات ، مع الباحثين الأساسيين لمحاولة العودة فعليا ومحاولة معرفة ما هي المشاكل الرئيسية في تسويق بعض العلوم التي تم تطويرها. وأعتقد ، وكيف نفعل ذلك بطريقة آمنة ومسؤولة أخلاقيا.

لذلك أعتقد أن هناك من الناحية العلمية ، لا تزال هناك خطوات كبيرة يجب اتخاذها ، ولكن أيضا فيما يتعلق بأشياء أخرى ، لا يزال هناك الكثير من الأشياء التي سيتم صنعها وأعتقد أن خمس سنوات على الأقل ستكون ، الخطوات القليلة الأولى وفي السنوات ال 10 أو ال 15 القادمة ، هي متى ستصبح الأشياء مثيرة للاهتمام فيما يتعلق بكيفية قيام بعض هذه التقنيات ، على وجه التحديد فيما يتعلق بكل من هندسة الأنسجة وهندسها ، فإن تطبيق هذه التقنيات على فحوصات اكتشاف الأدوية والأشياء ، وكيف سيتم استخدامها في تطبيقات العالم الحقيقي تعتمد حقا على العضو الذي نتحدث عنه ونوع التطبيق الذي نتحدث عنه. من الواضح أن التطبيق الأول والأكثر وضوحا ، كما تعلمون ، للأنسجة الاصطناعية هو في منطقة اكتشاف الأدوية أو منطقة التشخيص حيث تحاول فهم أفضل للحصول على نماذج فسيولوجية أفضل لما يمكن أن يكون لديك في مزرعة الأنسجة خارج الجسم وتكون قادرا على تحليلها ، وفحصها لفهم علم الأحياء بشكل أفضل أو فحصها لفهمها ، كما تعلمون ، المواد الكيميائية أو الأدوية الفعالة. وأعتقد أن التحدي الرئيسي في هذا المجال هو الحصول على شيء يحاكي الأنسجة الأصلية ، بأكبر قدر ممكن تماما بحيث إذا كان ، إذا كان هيكل الأنسجة الخاص بك يقول شيئا ما ساما ، فيمكنك أن تكون واثقا جدا من أنه إذا وضعته في ، فسيكون كذلك ، سيكون ساما وسيكون تنبؤيا جدا بالاستجابة التي ستحصل عليها في.

لذلك ، وأعتقد أنه فيما يتعلق بالتطبيقات العلاجية الفعلية ، لا يزال هناك الكثير من العقبات التي يجب التغلب عليها. وأعتقد أن الأهم ، أهمها هو كيف ستتصرف هذه العوامل العلاجية ، كما تعلمون ، على المدى القصير والطويل لأنه لا أحد يفهم حقا كيف ، كما تعلمون ، الخلايا الغريبة ، دعنا نقول ، كما تعلمون ، الأنسجة المهندسة أو الخلايا الجذعية التي تدفع الخلايا من الخلايا الجذعية الجنينية أو كما تعلمون ، من أشخاص آخرين ستتصرف ، في جسدي أو جسد شخص آخر على المدى الطويل. ثم الآخر ، أعتقد أن هناك أيضا أسئلة أخلاقية أخرى مثل ، كما تعلمون ، كيف يمكننا في الواقع ، كما تعلمون ، هل هو ، ما هو أفضل مصدر للخلية ، كما تعلمون ، تحدي أخلاقي مسؤول أخلاقيا ، ولكن أيضا ممكن علميا وسريريا وفيما يتعلق بالأعضاء الهندسية بالفعل ، أعتقد أن السؤال الرئيسي هو هل يمكنك الحصول على شيء آمن وأيضا سيعمل بشكل صحيح وكما تعلمون ، هناك الكثير من الآليات التنظيمية التي ، كما تعلمون ، يجب على أي نوع من الأعضاء المهندسة للأنسجة التغلب عليها.

وأعتقد أن إدارة الغذاء والدواء في هذه المرحلة بدأت في استكشاف كيفية تنظيم الأنسجة البيولوجية التي يهندسها الناس للتطبيقات العلاجية. وأعتقد أن هناك سابقة أو سابقتين لهذا النوع من المنتجات تذهب إلى التسويق ، ولكن لا يوجد طريق موحد للغاية تعرف فيه بالضبط ما سيحدث لنقل شيء ما من المختبر إلى المنتج النهائي فيما يتعلق ببعض هذه الأنسجة البيولوجية الاصطناعية ، يعتمد الأمر حقا على العضو. لذلك بالنسبة للبعض ، كما تعلمون ، شيء مثل الجلد ، كما تعلمون ، كما تعلمون ، لدينا بالفعل.

بالنسبة لشيء مثل القلب ، القلب الكامل ، أود أن أقول إننا بعيدون جدا. كما تعلم ، أود أن أقول ربما ، كما تعلمون ، ربما 50 عاما ، كما تعلمون ، أريد أن أكون متحفظا للغاية. قد يحدث ذلك في وقت أقرب ، ولكن هناك الكثير من التحديات للحصول على شيء بشكل صحيح وله التعقيد الصحيح ويعمل بشكل صحيح مثل الأنسجة البيولوجية الطبيعية.

لكنني أعتقد أنه فيما يتعلق بأشياء أصغر مثل أنسجة القلب ، كما تعلمون ، وليس القلب الكامل ، نحن أقرب بكثير. وأود أن أقول ، كما تعلمون ، فيما يتعلق بالتطبيق السريري وشيء مر بالفعل بالعملية التنظيمية ، كما تعلمون ، من الممكن أن يكون هناك شيء ما في غضون 15 عاما ، كما تعلمون ، أن يكون لديك بالفعل قطع قابلة للزرع من أنسجة القلب يمكنك القيام بها. وأعتقد أن معظم هذا سيكون في المرحلة التنظيمية لأنه في الوقت الحالي للموافقة على الدواء يستغرق الأمر 12 عاما.

لذا ، حتى لو كان لدينا شيء ما الآن ، نعتقد أنه مثالي ، كما تعلمون ، سيستغرق الأمر عقدا على الأقل للتأكد من أنه آمن ويقوم أيضا بالوظيفة المناسبة حتى نتمكن ، كما تعلمون ، على نطاق واسع وبطريقة واسعة النطاق ، استخدامه في المرضى.