Übersicht des Tissue Engineering

Tissue Engineering ist ein Bereich der regenerativen Medizin, bei dem Zellen, Biomaterialien und biologisch aktive Moleküle verwendet werden, um Gewebe zu erzeugen, zu reparieren oder zu ersetzen. Natürliches Gewebe besteht aus einer strukturellen Komponente, der extrazellulären Matrix, der EZM, und den gewebespezifischen Zellen, die sie bewohnen. Engineered Tissue zielt darauf ab, natürlichem Gewebe so nahe wie möglich zu kommen, indem natürliche oder künstlich hergestellte Strukturkomponenten und gewebespezifische Zellen verwendet werden. In diesem Video wird das Gebiet des Tissue-Engineering vorgestellt, einige gängige Techniken und Herausforderungen in diesem Bereich demonstriert und einige Anwendungen dieser Technologie vorgestellt.

Werfen wir zunächst einen Blick auf die typischen Bestandteile von künstlich hergestelltem Gewebe. Das Gewebe wird gebildet, indem zunächst ein Gerüst aus einem Biomaterial erstellt wird. Das Gewebegerüst soll Struktur geben und die natürliche EZM nachahmen. Das Gewebegerüst kann viele verschiedene Morphologien annehmen, wie z. B. eine Fasermatte oder ein Hydrogel, je nach gewünschter Gewebeart. In jedem Fall muss das verwendete Biomaterial die Zelladhäsion und die gewünschte Zellinteraktion fördern. Alternativ kann auch ein dezellularisiertes Gerüst aus einem Spenderorgan verwendet werden, um dem neuen Gewebe Struktur zu verleihen. Die nächste Komponente sind die Zellen. Alle Gewebe verwenden lebende Zellen, die den Gewebetyp definieren. Zum Beispiel werden Fibroblasten zur Herstellung von Haut und Chondrozyten zur Herstellung von Knorpel verwendet. Die Zellen, die in künstlich hergestelltem Gewebe verwendet werden, können aus verschiedenen Quellen stammen. Primärzellen werden aus nativem Gewebe extrahiert, was erfordert, dass das native Gewebe zerkleinert und mit einem Enzym verdaut wird, um die Zellen freizusetzen. Alternativ können auch Sekundärzellen verwendet werden, die aus einer Zellbank erhältlich sind. Diese Zellen sind jedoch nicht patientenspezifisch und können eine Abstoßung verursachen. Schließlich können auch Stammzellen verwendet werden, bei denen es sich um undifferenzierte Zellen handelt, die in der Lage sind, verschiedene Formen spezialisierter Zellen hervorzubringen oder sich selbst zu replizieren. Um das Gewebe zu erzeugen, werden die ausgewählten Zellen auf das Gewebegerüst ausgesät, zusammen mit den notwendigen Wachstumsfaktoren, um die Gewebebildung zu fördern. Die ausgesäten Gerüste werden dann in einer statischen Kultur wachsen gelassen. Alternativ können spezielle Gewebekulturreaktoren verwendet werden, um das manipulierte Gewebe zu säen und zu züchten.

Nachdem nun die Bestandteile des künstlich hergestellten Gewebes vorgestellt wurden, werfen wir einen Blick auf einige gängige Methoden, die in diesem Bereich verwendet werden. Die Herstellung des Gewebegerüsts kann der kritischste Faktor bei der Bestimmung der mechanischen Eigenschaften des Gewebes sein. Eine beliebte Gerüstmorphologie ist das elektrogesponnene Gerüst, das aus mikroskaligen Fasern besteht. Beim Elektrospinnen wird eine Spannung zwischen einer Auffangplatte und der Spitze einer Spritze mit dem Biomaterial angelegt. Dabei entstehen Mikrofasern, die sich so lange sammeln können, bis die Matte die notwendigen Anforderungen an das Gerüst erfüllt. Es muss miteinander verbundene Mikroporen haben, damit Zellen und Nährstoffe eindringen können. angemessene Oberfläche zur Förderung der Zelladhäsion; und mechanische Eigenschaften, die dem nativen Gewebe entsprechen. Eine der wichtigsten Techniken zur Züchtung von Gewebe ist ein Gewebekulturreaktor. Gewebegerüste werden oft durch Tröpfchen- oder Tauchtechniken mit Zellen besiedelt und in stagnierenden Kulturen wachsen gelassen. Natürliches Gewebe, wie z. B. Blutgefäße, wachsen jedoch unter mechanischer Stimulation. Gewebekulturreaktoren zielen darauf ab, physiologische Bedingungen, wie z. B. den pulsierenden Fluss in Arterien, nachzuahmen, um das Verhalten und das Wachstum von Endothel- und Muskelzellen in der Arterie zu beeinflussen.

In diesem Bereich gibt es jedoch viele Herausforderungen. Die Haupteinschränkung von in-vitro manipuliertem Gewebe ist das Fehlen von Blutgefäßsystemen. Natürliche Gewebe besitzen eine Vaskularisation, die Nährstoffe liefert und Abfallstoffe entfernt. Gentechnisch hergestelltes Gewebe ist jedoch stark auf Diffusion angewiesen, was die Nährstoffversorgung und die Gewebegröße einschränkt. Eine Strategie für die Vaskularisierung konzentriert sich auf die Verwendung von synthetischen Gerüsten mit eingebauten Gefäßen, die dazu beitragen können, dem Gewebe Nährstoffe zuzuführen. Obwohl die Vorteile von künstlich hergestelltem Gewebe weitreichend sind, ist es schwierig, Gewebe in ausreichendem Maßstab für den klinischen Einsatz herzustellen. Für die Implantation müssen die Zellen zunächst dem Patienten entnommen und dann auf einem Gerüst vermehrt und kultiviert werden. Dies würde für jeden Patienten separate Zellkultursysteme erfordern. Neben dem erheblichen Zeitaufwand für diese Schritte erschweren die regulatorischen Herausforderungen und die hohen Kosten eine breite Umsetzung.

Nachdem Sie nun einige der aktuellen Methoden und Herausforderungen des Tissue Engineering kennengelernt haben, werfen wir einen Blick auf einige Anwendungen der Technologie. Tissue Engineering kann bei der Heilung chronischer Wunden oder Verbrennungen eingesetzt werden. Eine Methode besteht darin, ein Gewebegerüst zu verwenden, das Wachstumsfaktoren, aber keine Zellen enthält. Die dezellularisierte Matrix fördert die Migration von Zellen und fördert das Gewebewachstum. Alternativ kann bei tiefen Wunden eine zellhaltige Matrix verwendet werden, die sich in das Gewebe des Wirts integriert. Letztendlich wollen die Forscher in der Lage sein, geschädigte Organe vollständig zu ersetzen. Derzeit wird dies mit Hilfe von Organkulturen angegangen. Zuerst wird das Spenderorgan, wie in diesem Fall eine Lunge, dezellularisiert und seine native Struktur beibehalten, dann wird die Lunge mit Zellen des Patienten rezellularisiert. Dies würde die Ablehnung und die Notwendigkeit eines Spender-Matchings begrenzen.

Sie haben gerade Jove's Overview of Tissue Engineering gesehen. Sie sollten nun mit einigen grundlegenden Konzepten und Methoden in der Praxis sowie mit einigen wichtigen Herausforderungen und Anwendungen vertraut sein. Danke fürs Zuschauen.