Overzicht van weefselengineering
Weefselengineering is een gebied van regeneratieve geneeskunde dat cellen, biomaterialen en biologisch actieve moleculen gebruikt om weefsel te creëren, repareren of vervangen. Natuurlijk weefsel bestaat uit een structureel onderdeel, de extracellulaire matrix, of ECM, en de weefselspecifieke cellen die het bewonen. Gefabriceerd weefsel streeft ernaar zo nauw mogelijk natuurlijk weefsel te lijken, met behulp van natuurlijke of gefabriceerde structurele componenten en weefselspecifieke cellen. Deze video introduceert het gebied van weefselengineering, toont enkele veelvoorkomende technieken en uitdagingen in het veld, en introduceert enkele toepassingen van deze technologie.
Laten we eerst eens kijken naar de typische componenten van gefabriceerd weefsel. Het weefsel wordt gevormd door eerst een scaffold te maken met behulp van een biomateriaal. De weefselscaffold is bedoeld om structuur te bieden en de natuurlijke ECM te imiteren. De weefselscaffold kan vele verschillende morfologieën aannemen, zoals een vezelmatten of een hydrogel, afhankelijk van het gewenste type weefsel. In elk geval moet het gebruikte biomateriaal celadhesie en wenselijke celinteractie bevorderen. Alternatief kan ook een decellulair scaffold van een donororgaan worden gebruikt om structuur aan het nieuwe weefsel te geven. Het volgende onderdeel zijn de cellen. Alle weefsels gebruiken levende cellen, die het weefseltype definiëren. Fibroblasten worden bijvoorbeeld gebruikt om huid te maken en chondrocyten worden gebruikt om kraakbeen te maken. De cellen die in gefabriceerd weefsel worden gebruikt, kunnen uit verschillende bronnen komen. Primaire cellen worden uit natuurlijk weefsel geëxtraheerd, wat vereist dat het natuurlijke weefsel wordt gehakt en met een enzym wordt verteerd om de cellen vrij te maken. Alternatief kunnen secundaire cellen, die beschikbaar zijn in een cellbank, worden gebruikt. Deze cellen zijn echter niet patiëntspecifiek en kunnen afstoting veroorzaken. Ten slotte kunnen ook stamcellen worden gebruikt, ongedifferentieerde cellen die zich kunnen ontwikkelen tot verschillende vormen van gespecialiseerde cellen of zichzelf kunnen repliceren. Om het weefsel te creëren, worden de geselecteerde cellen gezaaid op de weefselscaffold, samen met noodzakelijke groeifactoren om weefselvorming te bevorderen. De gezaaide scaffols worden vervolgens in een statische cultuur laten groeien. Alternatief kunnen gespecialiseerde weefselcultuurreactoren worden gebruikt om het gefabriceerde weefsel te zaaien en te laten groeien.
Nu de componenten van gefabriceerd weefsel zijn geïntroduceerd, laten we eens kijken naar enkele veelvoorkomende methoden die in het veld worden gebruikt. Het fabriceren van de weefselscaffold kan de meest cruciale factor zijn bij het bepalen van de mechanische eigenschappen van het weefsel. Een populaire scaffoldmorfologie is de elektrospinscaffold, een mat van microschaalvezels. Elektrospinnen gebeurt door een spanning aan te brengen tussen een opvangplaat en de punt van een spuit die het biomateriaal bevat. Dit creëert microvezels, die worden toegestaan om zich te verzamelen totdat de mat de nodige vereisten voor de scaffold bereikt. Het moet interconnecterende microporiën hebben om cellen en voedingsstoffen toe te laten; voldoende oppervlakte om celadhesie te bevorderen; en mechanische eigenschappen die overeenkomen met natuurlijk weefsel. Vervolgens is een belangrijke techniek die wordt gebruikt om weefsel te laten groeien een weefselcultuurreactor. Weefselscaffolds worden vaak gezaaid met cellen door druppel- of onderdompelingtechnieken en worden in stilstaande cultuur gelaten om te groeien. Natuurlijk weefsel, zoals bloedvaten, groeit echter onder mechanische stimulatie. Weefselcultuurreactoren hebben tot doel fysiologische omstandigheden na te bootsen, zoals de pulserende stroom in slagaders, om het gedrag en de groei van endotheel- en spiercellen in de ader te beïnvloeden.
Er zijn echter veel uitdagingen in dit veld. De belangrijkste beperking van in-vitro gefabriceerd weefsel is het ontbreken van bloedvatsystemen. Natuurlijk weefsel heeft vascularisatie, die voedingsstoffen levert en afvalstoffen verwijdert. Gefabriceerd weefsel is echter sterk afhankelijk van diffusie, wat de toevoer van voedingsstoffen en de weefselgrootte beperkt. Een strategie voor vascularisatie is gericht op het gebruik van synthetische scaffolds met ingebouwde vaatbundels, die kunnen helpen bij het leveren van voedingsstoffen aan het weefsel. Hoewel de voordelen van gefabriceerd weefsel verstrekkend zijn, is het moeilijk om weefsel op een voldoende grote schaal te produceren voor klinisch gebruik. Voor implantatie moeten cellen eerst van de patiënt worden geoogst en vervolgens worden uitgebreid en gekweekt op een scaffold. Dit zou afzonderlijke celcultuursystemen voor elke patiënt vereisen. Naast de aanzienlijke hoeveelheid tijd die nodig is voor deze stappen, maken de wettelijke uitdagingen en hoge kosten het moeilijk om dit momenteel op grote schaal te implementeren.
Nu u enkele van de huidige methoden en uitdagingen van weefselengineering hebt gezien, laten we eens kijken naar enkele toepassingen van de technologie. Weefselengineering kan worden gebruikt bij chronische wond- of brandwondgenezing. Een methode is het gebruik van een weefselscaffold die groeifactoren bevat, maar geen cellen. De decellulair matrix bevordert de migratie van cellen en stimuleert weefselgroei. Voor diepe wonden kan alternatief een matrix met cellen worden gebruikt, die zich integreert in het weefsel van de gastheer. Uiteindelijk streven onderzoekers ernaar om beschadigde organen volledig te kunnen vervangen. Momenteel wordt dit aangepakt met behulp van orgaancultuur. Eerst wordt het donororgaan, zoals een long in dit geval, decellulair gemaakt en wordt de oorspronkelijke structuur behouden, waarna de long wordt gereactiveerd met cellen van de patiënt. Dit zou afstoting en de behoefte aan een donormatch beperken.
U hebt zojuist Jove's Overzicht van Weefselengineering bekeken. U zou nu bekend moeten zijn met enkele basisconcepten en methoden in het veld, evenals enkele belangrijke uitdagingen en toepassingen
Weefsel engineering streeft ernaar kunstmatig weefsel te creëren uit biomaterialen, specifieke cellen en groeifactoren. Deze geconstrueerde weefselcon…
Weefselengineering is een gebied van regeneratieve geneeskunde dat cellen, biomaterialen en biologisch actieve moleculen gebruikt om weefsel te creëren, repareren of vervangen. Natuurlijk weefsel bestaat uit een structureel onderdeel, de extracellulaire matrix, of ECM, en de weefselspecifieke cellen die het bewonen. Gefabriceerd weefsel streeft ernaar zo nauw mogelijk natuurlijk weefsel te lijken, met behulp van natuurlijke of gefabriceerde structurele componenten en weefselspecifieke cellen. Deze video introduceert het gebied van weefselengineering, toont enkele veelvoorkomende technieken en uitdagingen in het veld, en introduceert enkele toepassingen van deze technologie.
Laten we eerst eens kijken naar de typische componenten van gefabriceerd weefsel. Het weefsel wordt gevormd door eerst een scaffold te maken met behulp van een biomateriaal. De weefselscaffold is bedoeld om structuur te bieden en de natuurlijke ECM te imiteren. De weefselscaffold kan vele verschillende morfologieën aannemen, zoals een vezelmatten of een hydrogel, afhankelijk van het gewenste type weefsel. In elk geval moet het gebruikte biomateriaal celadhesie en wenselijke celinteractie bevorderen. Alternatief kan ook een decellulair scaffold van een donororgaan worden gebruikt om structuur aan het nieuwe weefsel te geven. Het volgende onderdeel zijn de cellen. Alle weefsels gebruiken levende cellen, die het weefseltype definiëren. Fibroblasten worden bijvoorbeeld gebruikt om huid te maken en chondrocyten worden gebruikt om kraakbeen te maken. De cellen die in gefabriceerd weefsel worden gebruikt, kunnen uit verschillende bronnen komen. Primaire cellen worden uit natuurlijk weefsel geëxtraheerd, wat vereist dat het natuurlijke weefsel wordt gehakt en met een enzym wordt verteerd om de cellen vrij te maken. Alternatief kunnen secundaire cellen, die beschikbaar zijn in een cellbank, worden gebruikt. Deze cellen zijn echter niet patiëntspecifiek en kunnen afstoting veroorzaken. Ten slotte kunnen ook stamcellen worden gebruikt, ongedifferentieerde cellen die zich kunnen ontwikkelen tot verschillende vormen van gespecialiseerde cellen of zichzelf kunnen repliceren. Om het weefsel te creëren, worden de geselecteerde cellen gezaaid op de weefselscaffold, samen met noodzakelijke groeifactoren om weefselvorming te bevorderen. De gezaaide scaffols worden vervolgens in een statische cultuur laten groeien. Alternatief kunnen gespecialiseerde weefselcultuurreactoren worden gebruikt om het gefabriceerde weefsel te zaaien en te laten groeien.
Nu de componenten van gefabriceerd weefsel zijn geïntroduceerd, laten we eens kijken naar enkele veelvoorkomende methoden die in het veld worden gebruikt. Het fabriceren van de weefselscaffold kan de meest cruciale factor zijn bij het bepalen van de mechanische eigenschappen van het weefsel. Een populaire scaffoldmorfologie is de elektrospinscaffold, een mat van microschaalvezels. Elektrospinnen gebeurt door een spanning aan te brengen tussen een opvangplaat en de punt van een spuit die het biomateriaal bevat. Dit creëert microvezels, die worden toegestaan om zich te verzamelen totdat de mat de nodige vereisten voor de scaffold bereikt. Het moet interconnecterende microporiën hebben om cellen en voedingsstoffen toe te laten; voldoende oppervlakte om celadhesie te bevorderen; en mechanische eigenschappen die overeenkomen met natuurlijk weefsel. Vervolgens is een belangrijke techniek die wordt gebruikt om weefsel te laten groeien een weefselcultuurreactor. Weefselscaffolds worden vaak gezaaid met cellen door druppel- of onderdompelingtechnieken en worden in stilstaande cultuur gelaten om te groeien. Natuurlijk weefsel, zoals bloedvaten, groeit echter onder mechanische stimulatie. Weefselcultuurreactoren hebben tot doel fysiologische omstandigheden na te bootsen, zoals de pulserende stroom in slagaders, om het gedrag en de groei van endotheel- en spiercellen in de ader te beïnvloeden.
Er zijn echter veel uitdagingen in dit veld. De belangrijkste beperking van in-vitro gefabriceerd weefsel is het ontbreken van bloedvatsystemen. Natuurlijk weefsel heeft vascularisatie, die voedingsstoffen levert en afvalstoffen verwijdert. Gefabriceerd weefsel is echter sterk afhankelijk van diffusie, wat de toevoer van voedingsstoffen en de weefselgrootte beperkt. Een strategie voor vascularisatie is gericht op het gebruik van synthetische scaffolds met ingebouwde vaatbundels, die kunnen helpen bij het leveren van voedingsstoffen aan het weefsel. Hoewel de voordelen van gefabriceerd weefsel verstrekkend zijn, is het moeilijk om weefsel op een voldoende grote schaal te produceren voor klinisch gebruik. Voor implantatie moeten cellen eerst van de patiënt worden geoogst en vervolgens worden uitgebreid en gekweekt op een scaffold. Dit zou afzonderlijke celcultuursystemen voor elke patiënt vereisen. Naast de aanzienlijke hoeveelheid tijd die nodig is voor deze stappen, maken de wettelijke uitdagingen en hoge kosten het moeilijk om dit momenteel op grote schaal te implementeren.
Nu u enkele van de huidige methoden en uitdagingen van weefselengineering hebt gezien, laten we eens kijken naar enkele toepassingen van de technologie. Weefselengineering kan worden gebruikt bij chronische wond- of brandwondgenezing. Een methode is het gebruik van een weefselscaffold die groeifactoren bevat, maar geen cellen. De decellulair matrix bevordert de migratie van cellen en stimuleert weefselgroei. Voor diepe wonden kan alternatief een matrix met cellen worden gebruikt, die zich integreert in het weefsel van de gastheer. Uiteindelijk streven onderzoekers ernaar om beschadigde organen volledig te kunnen vervangen. Momenteel wordt dit aangepakt met behulp van orgaancultuur. Eerst wordt het donororgaan, zoals een long in dit geval, decellulair gemaakt en wordt de oorspronkelijke structuur behouden, waarna de long wordt gereactiveerd met cellen van de patiënt. Dit zou afstoting en de behoefte aan een donormatch beperken.
U hebt zojuist Jove's Overzicht van Weefselengineering bekeken. U zou nu bekend moeten zijn met enkele basisconcepten en methoden in het veld, evenals enkele belangrijke uitdagingen en toepassingen
Weefselengineering is een gebied van regeneratieve geneeskunde dat cellen, biomaterialen en biologisch actieve moleculen gebruikt om weefsel te creëren, repareren of vervangen. Natuurlijk weefsel bestaat uit een structurele component, de extracellulaire matrix of ECM, en de weefselspecifieke cellen die het bewonen. Gefabriceerd weefsel streeft ernaar om zo dicht mogelijk bij natuurlijk weefsel te lijken, door natuurlijke of gefabriceerde structurele componenten en weefselspecifieke cellen te gebruiken. Deze video introduceert het gebied van weefselengineering, demonstreert enkele veelvoorkomende technieken en uitdagingen in het veld, en introduceert enkele toepassingen van deze technologie.
Laten we eerst eens kijken naar de typische componenten van gefabriceerd weefsel. Het weefsel wordt gevormd door eerst een scaffold te maken met behulp van een biomateriaal. De weefselscaffold is bedoeld om structuur te bieden en de natuurlijke ECM na te bootsen. De weefselscaffold kan veel verschillende morfologieën aannemen, zoals een vezelmatten of een hydrogel, afhankelijk van het gewenste type weefsel. In elk geval moet het gebruikte biomateriaal celadhesie en wenselijke celinteractie bevorderen. Als alternatief kan ook een decellulair scaffold van een donororgaan worden gebruikt om structuur aan het nieuwe weefsel te geven. Het volgende onderdeel zijn de cellen. Alle weefsels gebruiken levende cellen, die het weefseltype definiëren. Fibroblasten worden bijvoorbeeld gebruikt om huid te maken en chondrocyten worden gebruikt om kraakbeen te maken. De cellen die in gefabriceerd weefsel worden gebruikt, kunnen uit verschillende bronnen komen. Primaire cellen worden uit natieve weefsels geëxtraheerd, wat vereist dat het natieve weefsel wordt fijngesneden en gedigesteerd met een enzym om de cellen vrij te maken. Als alternatief kunnen secundaire cellen, die verkrijgbaar zijn uit een cellenbank, worden gebruikt. Deze cellen zijn echter niet patiëntspecifiek en kunnen afstoting veroorzaken. Ten slotte kunnen ook stamcellen worden gebruikt, ongedifferentieerde cellen die verschillende vormen van gespecialiseerde cellen kunnen voortbrengen of zichzelf kunnen repliceren. Om het weefsel te creëren, worden de geselecteerde cellen op de weefselscaffold gezaaid, samen met noodzakelijke groeifactoren om weefselvorming aan te moedigen. De gezaaide scaffolds worden vervolgens toegestaan om te groeien in een statische cultuur. Als alternatief kunnen gespecialiseerde weefselcultuurreactoren worden gebruikt om het gefabriceerde weefsel te zaaien en te laten groeien.
Nu de componenten van gefabriceerd weefsel zijn geïntroduceerd, laten we eens kijken naar enkele veelgebruikte methoden in het veld. Het fabriceren van de weefselscaffold kan de meest kritische factor zijn bij het bepalen van de mechanische eigenschappen van het weefsel. Een populaire scaffoldmorfologie is de elektrogesponnen scaffold, die een mat van microschaalvezels is. Elektrospinnen wordt gedaan door een spanning aan te brengen tussen een verzamelplaat en de punt van een spuit die het biomateriaal bevat. Dit creëert microvezels, die worden toegestaan om zich te verzamelen totdat de mat de noodzakelijke vereisten voor de scaffold bereikt. Het moet interconnectie van microporiën hebben om cellen en voedingsstoffen toe te laten migreren; voldoende oppervlakte om celadhesie te bevorderen; en mechanische eigenschappen die overeenkomen met natuurlijk weefsel. Vervolgens is een belangrijke techniek die wordt gebruikt om weefsel te laten groeien een weefselcultuurreactor. Weefselscaffolds worden vaak gezaaid met cellen door druppel- of onderdompelingtechnieken en toegestaan om in stagnerende cultuur te groeien. Echter, natuurlijk weefsel, zoals bloedvaten, groeit onder mechanische stimulatie. Weefselcultuurreactoren streven ernaar fysiologische omstandigheden na te bootsen, zoals de pulsatiele stroom in slagaders, om het gedrag en de groei van endotheel- en spiercellen in de slagader te beïnvloeden.
Er zijn echter veel uitdagingen in dit veld. De belangrijkste beperking van in-vitro gefabriceerd weefsel is het ontbreken van bloedvatsystemen. Natuurlijk weefsel bezit vascularisatie, die voedingsstoffen levert en afvalstoffen verwijdert. Gefabriceerd weefsel vertrouwt echter sterk op diffusie, wat de voedingsstoffenvoorziening en weefselmassa beperkt. Een strategie voor vascularisatie richt zich op het gebruik van synthetische scaffolds met ingebouwde vaten, die kunnen helpen bij het leveren van voedingsstoffen aan het weefsel. Hoewel de voordelen van gefabriceerd weefsel verreikend zijn, is het moeilijk om weefsel op voldoende schaal te produceren voor klinisch gebruik. Voor implantatie moeten cellen eerst uit de patiënt worden gehaald en vervolgens uitgebreid en gekweekt worden op een scaffold. Dit zou afzonderlijke celcultuursystemen voor elke patiënt vereisen. Naast de aanzienlijke hoeveelheid tijd die nodig is voor deze stappen, maken de regelgevende uitdagingen en hoge kosten het moeilijk om dit op dit moment breed toe te passen.
Nu je enkele van de huidige methoden en uitdagingen van weefselengineering hebt gezien, laten we eens kijken naar enkele toepassingen van de technologie. Weefselengineering kan worden gebruikt bij chronische wond- of brandwondgenezing. Een methode is om een weefselscaffold te gebruiken die groeifactoren bevat, maar geen cellen. De decellulair matrix bevordert de migratie van cellen en moedigt weefselgroei aan. Als alternatief kan voor diepe wonden een matrix met cellen worden gebruikt, die zich integreert in het weefsel van de gastheer. Uiteindelijk streven onderzoekers ernaar om beschadigde organen volledig te kunnen vervangen. Momenteel wordt dit benaderd door middel van orgaancultuur. Eerst wordt het donororgaan, zoals een long in dit geval, gedecellulair gemaakt en wordt de natuurlijke structuur behouden, waarna de long wordt gerecellen met cellen van de patiënt. Dit zou afstoting en de noodzaak van een donormatch beperken.
Je hebt zojuist Jove's Overzicht van Weefselengineering gezien. Je zou nu bekend moeten zijn met enkele basisconcepten en methoden in het veld, evenals enkele belangrijke uitdagingen en toepassingen. Bedankt voor het kijken.
View the full transcript and gain access to JoVE Science Education videos
Q1: What are the main components of engineered tissue?
Engineered tissue consists of three key components: a biomaterial scaffold that mimics the natural extracellular matrix, tissue-specific cells that define the tissue type, and growth factors that encourage tissue formation. The scaffold provides structure and promotes cell adhesion, while cells such as fibroblasts for skin or chondrocytes for cartilage give the tissue its functional identity.
Q2: How does electrospinning create tissue scaffolds?
Electrospinning applies voltage between a collection plate and a syringe tip containing biomaterial, creating micro-scale fibers that collect into a mat. The resulting scaffold must have interconnected micropores for cell and nutrient migration, adequate surface area for cell adhesion, and mechanical properties matching native tissue. This technique produces fiber mats suitable for various tissue types.
Q3: What sources of cells can be used in tissue engineering?
Three cell sources are available for tissue engineering: primary cells extracted from native tissue through enzymatic digestion, secondary cells from cell banks that are readily available but may cause rejection, and stem cells that are undifferentiated and can differentiate into specialized cell types or self-replicate. Each source has distinct advantages and limitations for clinical applications.
Q4: Why is vascularization a major challenge in tissue engineering?
Natural tissues possess vascularization that delivers nutrients and removes waste, but engineered tissue relies on diffusion, which severely limits nutrient supply and restricts tissue size. This limitation prevents the creation of large, thick tissues needed for organ replacement. Researchers are developing synthetic scaffolds with built-in vasculature to address this critical challenge.
Q5: How do tissue culture reactors improve engineered tissue growth?
Tissue culture reactors mimic physiological conditions such as pulsatile flow found in arteries, providing mechanical stimulation that influences cell behavior and growth. Unlike static culture, these specialized systems promote development of endothelial and muscle cells by replicating the dynamic environment of natural tissue, leading to more functional engineered constructs.
Q6: What are the clinical applications of tissue engineering?
Tissue engineering treats chronic wounds and burns using decellularized matrices with growth factors to promote cell migration, or cell-containing matrices that integrate into host tissue. Researchers also pursue organ replacement through organ culture, where donor organs are decellularized and recellularized with patient cells, reducing rejection risk and eliminating donor matching requirements.
Q7: What barriers prevent tissue-engineered products from reaching clinical use at scale?
Scaling tissue engineering for clinical use requires separate cell culture systems for each patient, involving time-intensive cell harvesting, expansion, and culturing on scaffolds. Regulatory challenges and high production costs further complicate broad implementation. These factors make it difficult to produce tissue in quantities sufficient for widespread clinical deployment.
Hoofdstukken in deze video
0:06
Overview
0:52
Components of Engineered Tissues
2:49
Prominent Materials and Methods
4:19
Key Challenges
5:28
Applications
6:31
Summary