Experimentele benaderingen van Tissue Engineering

Mijn naam is Ali Kamasi en ik ben momenteel assistent-professor bij de Harvard MIT's Divisie voor Gezondheidswetenschappen en Technologie. En ik heb een gezamenlijke aanstelling bij Harvard Medical School, specifiek bij Brigham and Women's Hospital, dat een aangesloten instituut is van Harvard Medical School. En mijn onderzoeksgebieden zijn microscale weefselengineering en biomes-gebied.

Dus mijn academische achtergrond is meer, en begon aanvankelijk in de chemische techniek. Ik deed mijn bachelor in chemische techniek aan de University of Toronto, en daarna raakte ik erg geïnteresseerd in meer biologie-georiënteerde engineering. Dus ik deed een master in biomedische techniek aan de University of Toronto, specifiek werkend aan stamceldifferentiatie.

En toen kwam ik naar MIT en ik deed mijn PhD met Professor Robert Langer in bio-engineeren. En daarna, na een paar maanden postdoc, trad ik toe tot mijn huidige positie. De onderzoeksgebieden waarop we ons richten, liggen echt op de grens tussen biologie, engineering en materiaalkunde.

En wat we proberen te doen, is vragen proberen te beantwoorden die biologen al lang proberen te beantwoorden, maar proberen het te doen op een manier die eerder niet mogelijk was door nieuwe technologieën en nieuwe perspectieven te introduceren in het begrijpen van deze vragen. En een van de grote medische problemen die we proberen aan te pakken, is echt dit tekort aan organen. Hoe genereren we driedimensionale organen die mogelijk getransplanteerd kunnen worden zodat, weet je, voor, weet je, er is een enorme tekort aan orgaanpro's, en veel patiënten hebben transplanteerbare organen nodig en er zijn enorme wachtlijsten.

Dus een van de dingen die we en anderen in het veld van weefselengineering proberen te doen, is om benaderingen te genereren waarmee we kunstmatige weefsels kunnen maken. En volgens hetzelfde concept, een van de grote problemen die er nu zijn, wat ook geldt voor medicijnontdekking en het vinden van nieuwe medicijnen, is hoe we betere modellen kunnen genereren die weefsels buiten het lichaam vertegenwoordigen, zodat we medicijnen en chemicaliën kunnen testen en zien wat hun effecten zijn op dit soort weefsels. En zodra we dat goed kunnen doen, kunnen we veel beter voorspellen welk medicijn daadwerkelijk effectief zal zijn.

Dus je hebt niet de, weet je, de terugroepacties van medicijnen nadat ze zijn goedgekeurd en de bijwerkingen en je kunt een veel beter medicijnontdekkingsproces hebben. Microfluidische apparaten zijn een deel van wat we microscale technologieën noemen. En wat betreft deze microscale technologieën, misschien leg ik uit wat dat is.

Wat ze proberen te doen, is proberen de complexiteit van biologische weefsels of biologische systemen na te bootsen. Dus de meeste cellen zijn ongeveer tien micrometer groot. En om cellen op die schaal te begrijpen, moet je technologieën hebben om te kunnen nabootsen wat een cel ziet en voelt op lengte-schalen die variëren van veel kleiner dan 10 micrometer tot groter dan 10 micrometer.

Dus je kunt individuele cellen hebben en in staat zijn om hun omgeving te manipuleren. Dus wat een systeem als microfluidische techniek ons toelaat te doen, is proberen een zeer strakke controle te hebben over hoe oplosbare factoren aan cellen worden afgeleverd. Een voorbeeld hiervan is het kunnen hebben van een microfluïdische kanaal en het genereren van een concentratiegradiënt van een chemokine of een groeifactor of een cytokine daarin.

En wat het ons nu toelaat te doen, is proberen na te bootsen wat er gebeurt tijdens normale ontwikkeling of binnen biologische systemen waar er concentratiegradiënten door het hele organisme lopen die de cel vertellen wat het moet doen. Dus met microfluïdische systemen kunnen we dit soort biologische complexiteit op een zeer snelle en gecontroleerde manier genereren en vervolgens celgedrag direct analyseren in blootstelling aan dit soort concentratiegradiënten of biologisch en ruimtelijk georiënteerde signalen. Dus weefselengineering is waarschijnlijk ontstaan ongeveer 20 tot 30 jaar geleden met het idee om transplanteerbare cellen te gebruiken en deze te combineren met materialen, zodat we betere driedimensionale weefsels kunnen genereren en het begon eigenlijk met mensen die probeerden afbreekbare materialen te maken en schuimen van hen te maken.

En dus, weet je, het zijn zeer poreuze structuren. En dan deze schuimen zaaien met cellen. Dus terwijl cellen zich binnen deze schuim bewegen, vestigen ze zich op bepaalde plaatsen en naarmate de tijd verstrijkt, zullen de cellen hun eigen biologische matrix beginnen af te zetten.

En omdat deze materialen biologisch afbreekbaar zijn, degraderen de materialen na verloop van tijd en wat je over houdt, is een volledig biologisch weefsel. En deze aanpak is vooral nuttig geweest voor, weet je, een aantal eenvoudigere organen, zoals kraakbeen. En er zijn eigenlijk dingen zoals onze kunstmatige huid die FDA-goedkeuring heeft gekregen.

Dus het is klinisch levensvatbaar geweest. Waar deze aanpak mogelijk meer hulp nodig heeft, is met betrekking tot complexere structuren zoals het hart of de lever, waar je echt zeer gecontroleerde celinteracties en zeer gecontroleerde complexiteit en architectuur op microschaal hebt. Dus een van de oorspronkelijke ideeën met weefselengineering was dat wanneer je de cellen plaatst, de cellen zichzelf gaan herschikken om enkele van deze complexiteit te genereren die je in het normale lichaam ziet.

Maar dat gebeurt tot op zekere hoogte, maar het gebeurt niet helemaal. Dus een weefselgeëngend orgaan op microschaalniveau zou nog steeds anders zijn dan een echt natuurlijk biologisch weefsel. En dat komt omdat de cellen zich gewoon niet volledig gaan assembleren zoals ze dat zouden doen tijdens ontwikkeling.

Dus wat we proberen te doen, met betrekking tot de microschaal en het verplaatsen van weefselengineering naar de microschaal, is proberen deze complexiteit terug te winnen. Dus hoe doen we dat? En wat zijn de complexiteiten die we willen genereren?

Nou, een van de dingen is dat weefsels erg vaatrijk zijn en dat levert de weefsels zuurstof, voedingsstoffen en andere dingen die ze nodig hebben. Dus op dit moment is het erg moeilijk om grote weefselstructuren te ontwerpen en alle cellen van de juiste hoeveelheden voedingsstoffen en zuurstof te