Experimentelle Ansätze zur Tissue Engineering

Mein Name ist Ali Kamasi und ich bin derzeit Assistenzprofessor an der Harvard MIT Department of Health Sciences and Technology. Und ich habe einen gemeinsamen Termin mit der Harvard Medical School, genauer gesagt mit dem Brigham and Women's Hospital, das eine Tochtergesellschaft der Harvard Medical School ist. Und meine Forschungsgebiete liegen im Bereich Microscale Tissue Engineering und Biome.

Mein akademischer Hintergrund ist also eher und begann ursprünglich in der Chemietechnik. Ich habe meinen Bachelor in Chemieingenieurwesen an der University of Toronto gemacht und mich anschließend sehr für mehr Biologie orientiertes Ingenieurwesen interessiert. Also machte ich einen Master in Biomedizintechnik an der University of Toronto, wo ich mich speziell mit der Stammzelldifferenzierung beschäftigte.

Und dann kam ich, ich kam ans MIT und ich promovierte bei Professor Robert Langer in, in, in Bioengineering. Und danach, nach ein paar Monaten als Postdoc, bin ich in meine jetzige Position eingetreten. Die Forschungsbereiche, auf die wir uns konzentrieren, befinden sich an der Schnittstelle zwischen Biologie, Ingenieurwissenschaften und Materialwissenschaften.

, und was wir versuchen, ist, Fragen anzugehen, die Biobiologen schon lange zu beantworten versuchen, aber auf eine Weise, die bisher nicht möglich war, indem neue Technologien und neue Perspektiven in das Verständnis dieser Fragen eingebracht wurden. Und eines der größten medizinischen Probleme, die wir anzugehen versuchen, ist wirklich dieser Mangel an Organen. Wie erzeugen wir dreidimensionale Organe, die potenziell transplantiert werden könnten, so dass es offensichtlich einen großen Mangel an Organen gibt, und viele Patienten benötigen transplantierbare Organe und es gibt riesige Wartelisten.

Eines der Dinge, die wir und andere Leute auf dem Gebiet des Tissue Engineering versuchen und versuchen, ist zu versuchen, Ansätze zu entwickeln, mit denen wir künstliches Gewebe herstellen können. Und nach dem gleichen Konzept besteht eines der größten Probleme, das derzeit besteht, nämlich auch bei der Arzneimittelforschung und der Suche nach neuen Medikamenten, darin, wie wir bessere Modelle generieren können, die Gewebe außerhalb des Körpers darstellen, damit wir Medikamente und Chemikalien testen und sehen können, welche Auswirkungen sie auf diese Art von Geweben haben. Und wenn wir das dann richtig machen können, können wir ein viel besseres Vorhersageverhalten darüber haben, welche Medikamente tatsächlich wirksam sein werden.

Sie haben also nicht die Rückrufe der Medikamente nach der Zulassung und die Nebenwirkungen, und Sie können einen viel besseren Prozess der Wirkstoffforschung haben. Mikrofluidische Geräte sind ein Teilbereich dessen, was wir Mikrotechnologien nennen. Und was ist mit diesen Technologien im Mikromaßstab, ich, vielleicht erkläre ich, was damit beginnt.

Was sie versuchen, ist zu versuchen, die Komplexität biologischer Gewebe oder biologischer Systeme nachzuahmen. Die meisten Zellen sind also etwa zehn Mikrometer groß. Und um Zellen in diesen Dimensionen wirklich zu verstehen, braucht man Technologien, die in der Lage sind, zu konstruieren, was eine Zelle sieht und was eine Zelle auf Längenskalen wahrnimmt, die von viel kleiner als 10 Mikrometer bis größer als 10 Mikrometer reichen.

Man kann also einzelne Zellen haben und in der Lage sein, ihre Umgebung zu manipulieren. Ein System wie die Mikrofluidik ermöglicht es uns also, es zu versuchen, es ermöglicht uns, sehr genau zu kontrollieren, wie lösliche Faktoren an die Zellen abgegeben werden. Ein Beispiel dafür ist die Möglichkeit, einen mikrofluidischen Kanal zu haben und dort einen Konzentrationsgradienten von a zu erzeugen, ein Chemokin oder einen Wachstumsfaktor oder ein Zytokin.

Und was es uns jetzt ermöglicht, ist, zu versuchen, das nachzuahmen, was während der normalen Entwicklung oder in biologischen Systemen passiert, wo es Konzentrationsgradienten in einem Organismus gibt, die der Zelle tatsächlich sagen, was sie tun soll, was sie tun soll. Mit mikrofluidischen Systemen können wir also diese Art von biologischer Komplexität sehr schnell und kontrolliert erzeugen und dann das Zellverhalten direkt analysieren, indem wir dieser Art von Konzentrationsgradienten oder biologisch und räumlich orientierten Signalen ausgesetzt sind. Das Tissue Engineering entstand also vor etwa 20, 30 Jahren mit der Idee, transplantierbare Zellen zu verwenden und sie mit Materialien zu verschmelzen, damit wir entweder bessere dreidimensionale Gewebe erzeugen können, und begann ursprünglich mit Menschen, die versuchten, biologisch abbaubare Materialien zu bekommen und daraus Schäume herzustellen.

Und das sind sehr poröse Strukturen. Und dann werden diese Schäume mit Zellen besiedelt. Wenn sich die Zellen also in diesem Schaum bewegen, siedeln sie sich an bestimmten Orten an, und im Laufe der Zeit beginnen die Zellen, ihre eigene biologische Matrix abzulagern.

Und da diese Materialien biologisch abbaubar sind, zersetzen sich die Materialien mit der Zeit und was übrig bleibt, ist ein vollständig biologisches Gewebe. Und dieser Ansatz war besonders nützlich für, wissen Sie, einige einfachere Organe, wie Dinge wie Knorpel. Und es gab tatsächlich Dinge wie unsere künstliche Haut, die tatsächlich von der FDA zugelassen wurde.

Es war also klinisch lebensfähig. Wo dieser Ansatz möglicherweise mehr Hilfe gebrauchen könnte, ist in Bezug auf komplexere Strukturen wie das Herz, wo man wirklich sehr kontrollierte Zellzellinteraktionen und eine sehr kontrollierte Komplexität und Architektur auf der Mikroskala hat. Eine der ursprünglichen Ideen beim Tissue Engineering war, dass sich die Zellen beim Einsetzen der Zellen neu anordnen, um tatsächlich etwas von dieser Komplexität zu erzeugen, die man im normalen Körper sieht.

Aber das, und das passiert bis zu einem gewissen Grad, aber es passiert nicht ganz. Ein Tissue Engineering Organ auf der Mikrostrukturebene würde sich also immer noch von einem wirklich nativen biologischen Gewebe unterscheiden. Und das liegt daran, dass sich die Zellen einfach nicht so zusammensetzen, wie sie es während, während, während der Entwicklung vollständig tun würden.

Was wir also versuchen, ist, in Bezug auf die Mikroskala und das Moving Tissue Engineering auf der Mikroskala zu versuchen, diese Komplexität wieder einzufangen. Wie machen wir das? Also, und was sind die Komplexitäten, die wir erzeugen wollen?

Nun, eines der Dinge ist, dass Vaskularisationsgewebe sehr, sehr vaskulär sind und das Gewebe mit Sauerstoff und Nährstoffen und anderen Dingen, die es braucht, versorgt. Im Moment ist es also sehr schwierig, große Gewebestrukturen zu entwickeln und alle Zellen mit den richtigen Mengen an Nährstoffen und Sauerstoff zu versorgen. Eine Sache, die uns die Technologien im Mikromaßstab ermöglichen, ist das Potenzial, das Mikrogefäßsystem direkt in unseren dreidimensionalen Strukturen zu manipulieren.

Eine andere Sache, die wir mit mikroskaligen Technologien tun können, ist der Versuch zu kontrollieren, wie verschiedene Zelltypen innerhalb dieser dreidimensionalen Struktur interagieren. Vielleicht möchten Sie also einen Zelltyp in einer bestimmten Struktur haben und einen sekundären Zelltyp daneben haben, so wie er es im Körper tun würde. Und mit Hilfe von Technologien im Mikromaßstab können wir versuchen, diese Art von Geometrien und Komplexitäten, die im Körper vorhanden sind, in unserer dreidimensionalen Struktur wiederzufinden.

Wir müssen also nicht unbedingt hoffen, dass sie sich direkt im Inneren der Gerüste zusammensetzen. Es gibt eine Reihe von Herausforderungen. Eine der größten Herausforderungen in Bezug auf die Art und Weise, wie wir Gewebe manipulieren können, besteht darin, dass selbst wenn wir ein dreidimensionales Gewebe herstellen, wir immer noch wollen, dass es funktionsfähig ist, und es gibt eine Vielzahl von mechanischen und biochemischen Stoffwechselfunktionen, die normales Gewebe erfüllt, die diese gewebegezüchteten Organe benötigen, um um sie im Grunde wieder einzufangen und nachzuahmen.

Was also im Moment ein Problem ist, ist, dass viele gewebegezüchtete Organe hinter ihrer nativen, wissen schon, biologischen Leistung zurückbleiben. Und ein Teil des Problems besteht darin, dass die Arten von Materialien, die wir derzeit verwenden, nicht unbedingt für eine Vielzahl unterschiedlicher Anwendungen optimiert sind. Und wissen Sie, wir, wir müssen derzeit, wir müssen derzeit noch die Biologie der Entwicklung und die Biologie der Wundheilung besser verstehen, um in der Lage zu sein, Bedingungen zu schaffen, die es den Zellen innerhalb dieser dreidimensionalen Gerüste ermöglichen, wirklich den ganzen Weg zu dem zu gehen, was sie im Körper während der normalen Entwicklung oder der normalen Wundheilung tun würden, damit wir endgültige Strukturen erhalten können, die tatsächlich eine wirklich regenerierte oder Sie wissen schon, entwickelte Gewebe.

Und die Biologie wird immer noch erforscht und entwickelt. Also, wissen Sie, das ist eine Sache ist die Biologie, die andere sind bessere Materialien. Und schließlich ist das, glaube ich, immer noch ein großes Problem die Zellquelle.

Wissen Sie, deshalb ist es wirklich wichtig, zu versuchen, alternative Zellquellen zu erforschen, denn unsere Körperzellen, wissen Sie, sie sind, die adulten Stammzellen, sind sehr, wissen Sie, potenziell potenziell brauchbare Quelle für Zellen. Auch Dinge wie embryonale und auch neue Ansätze, die die Leute finden, indem sie Hautzellen oder andere Zellen verwenden, um sehr primitive Zellen zu erhalten, bei denen man versuchen kann, ihre Differenzierung zu lenken und eine brauchbare Quelle für Zellen zu erhalten. Ich würde also sagen, das sind drei große Probleme, wissen Sie, bessere Materialien, ein besseres Verständnis der Biologie und eine bessere Zellquelle innerhalb der nächsten fünf Jahre.

Es wird viele Veränderungen geben, um diese mikroskaligen Technologien sowohl für Biologen als auch für Gewebeingenieure breiter anwendbar zu machen. Ich denke, viele Menschen erkennen jetzt, wie wichtig es ist, sowohl die Biologie als auch die Gewebeerzeugung mit mikroskaliger Auflösung zu studieren. Und ich glaube, dass es in den nächsten Jahren ein sehr, wissen Sie, anhaltender Trend sein wird.

Und ich denke, ein weiterer Aspekt ist, dass es viel mehr Interaktion zwischen den Menschen am Endprodukt geben wird, sei es die klinischen Ärzte und, wissen Sie, die FDA oder andere regulatorische Agenten, und Sie wissen schon, die im Grunde genommen und die Geschäftsleute. Es wird also mehr und mehr Interaktion mit diesen Entitäten geben, mit den Grundlagenforschern, um tatsächlich zurückzugehen und zu versuchen, zu sehen, was die Hauptprobleme bei der Kommerzialisierung einiger der entwickelten Wissenschaften sind. Und ich denke, und wie können wir es auf eine Weise tun, die sicher und ethisch verantwortungsvoll ist.

Ich denke also, dass es sowohl wissenschaftlich noch große Fortschritte zu machen gibt, als auch in Bezug auf andere Dinge, es wird immer noch eine Menge Dinge geben, und ich denke, mindestens fünf Jahre werden die ersten paar Schritte sein, und in den nächsten 10, 15 Jahren werden die Dinge wirklich interessant werden, wenn es darum geht, wie einige dieser Technologien, Speziell in Bezug auf das Tissue Engineering und die Anwendung dieser Technologien auf Wirkstoffforschungsassays und andere Dinge, hängt die Art und Weise, wie sie in realen, realen Anwendungen eingesetzt werden, wirklich davon ab, über welches Organ wir sprechen und über welche Art von Anwendung wir sprechen. Die erste und offensichtlichste Anwendung für künstliches Gewebe ist eindeutig im Bereich der Arzneimittelforschung oder der Diagnostik, wo Sie versuchen, bessere physiologische Modelle zu verstehen, bessere zu bekommen, die Sie in einer Gewebekultur außerhalb des Körpers haben und in der Lage sein können, sie zu analysieren, sie zu untersuchen, um die Biologie besser zu verstehen, oder sie zu untersuchen, um sie zu verstehen. Sie wissen schon, die wirksamen Chemikalien oder Medikamente. Und ich denke, dass in diesem Bereich die größte Herausforderung darin besteht, wirklich etwas zu bekommen, das das native Gewebe so vollständig wie möglich nachahmt, so dass, wenn Ihr, wenn Ihr Gewebekonstrukt sagt, dass etwas giftig ist, Sie sehr sicher sein können, dass, wenn Sie es in ein Tier einsetzen, es dann auch sein wird, Es wird giftig sein und sehr gut vorhersagen, welche Reaktion Sie bei dem Tier hervorrufen würden.

Also, und ich denke, was die tatsächlichen therapeutischen Anwendungen angeht, gibt es noch viel mehr Hürden zu überwinden. Und ich denke, die wichtigsten, die wichtigsten sind, wie sich diese Therapeutika verhalten werden, wissen Sie, kurz- und langfristig, denn niemand hat wirklich, wirklich verstanden, wie sich fremde Zellen, sagen wir, Sie wissen schon, Gewebezüchtungen oder Stammzellantriebszellen aus embryonalen Stammzellen oder von anderen Menschen verhalten werden, in meinem Körper oder dem Körper eines anderen auf lange Sicht. Und dann die andere, ich denke, es gibt auch andere ethische Fragen wie, wissen Sie, wie wir eigentlich, wissen Sie, ist es, was ist die beste Zellquelle, die sowohl ethisch herausfordernd als auch ethisch vertretbar ist, aber auch wissenschaftlich und klinisch machbar ist, und in Bezug auf die tatsächliche Entwicklung von Organen, ich denke, die Hauptfrage ist, ob Sie etwas haben können, das sowohl sicher ist als auch ordnungsgemäß funktioniert. Und Sie wissen schon, Es gibt eine Menge Regulationsmechanismen, die jede Art von Tissue Engineering Organ überwinden muss.

Und ich denke, die FDA beginnt zu diesem Zeitpunkt zu erforschen, wie biologische Gewebe, die Menschen für therapeutische Anwendungen entwickeln, tatsächlich reguliert werden kann. Und ich denke, es gibt ein oder zwei Präzedenzfälle für diese Art von Produkten bei der Kommerzialisierung, aber es gibt keinen immer noch sehr standardisierten Weg, auf dem man genau weiß, was passieren wird, um etwas von einem Labor zu einem Endprodukt zu bringen. In Bezug auf einige dieser künstlichen biologischen Gewebe hängt es wirklich vom Organ ab. Also für einige, wissen Sie, so etwas wie Haut, wissen Sie, wissen Sie, wir haben sie bereits.

Für so etwas wie ein Herz, ein vollständiges Herz, würde ich sagen, wir sind sehr weit weg. Weißt du, ich würde sagen, vielleicht, weißt du, na ja, wahrscheinlich 50, weißt du, ich möchte sehr konservativ sein. Es mag früher passieren, aber es gibt viele Herausforderungen, um etwas zu bekommen, das richtig und mit der richtigen Komplexität ausgestattet ist und ordnungsgemäß funktioniert, wie es ein normales biologisches Gewebe tun würde.

Aber ich denke, in Bezug auf ein kleineres Ding wie ein Herzgewebe, wissen Sie, und nicht ein vollständiges Herz, sind wir viel näher. Und ich würde sagen, wissen Sie, in Bezug auf eine klinische Anwendung und etwas, das tatsächlich den regulatorischen Prozess durchlaufen hat, wissen Sie, es ist möglich, innerhalb von 15 Jahren tatsächlich transplantierbare Stücke von Herzgewebe zu haben, die man tun kann, die man tun kann. Und ich denke, das meiste davon wird in der regulatorischen Phase sein, denn im Moment dauert es 12 Jahre, um ein Medikament zuzulassen.

Selbst wenn wir jetzt etwas haben, das wir für perfekt halten, wird es mindestens ein Jahrzehnt dauern, um sicherzustellen, dass es sicher ist und auch die richtige Funktion erfüllt, damit wir es auf breite und breite Weise bei Patienten einsetzen können.