Eksperymentalne podejścia do inżynierii tkankowej

Nazywam się Ali Kamasi i obecnie jestem adiunktem na Wydziale Nauk o Zdrowiu i Technologii Uniwersytetu Harvarda. Mam też wspólne spotkanie z Harvard Medical School, a konkretnie z Brigham and Women's Hospital, który jest filią Harvard Medical School. Moje obszary badawcze to inżynieria tkankowa w mikroskali i biomy.

Tak więc moje wykształcenie akademickie jest bardziej zbliżone i początkowo zaczynałem od inżynierii chemicznej. Ukończyłem studia licencjackie z inżynierii chemicznej na Uniwersytecie w Toronto, a następnie bardzo zainteresowałem się inżynierią bardziej zorientowaną na biologię. Zrobiłem więc magisterium z inżynierii biomedycznej, kontynuując naukę na Uniwersytecie w Toronto, zajmując się różnicowaniem komórek macierzystych.

A potem przyjechałem do MIT i zrobiłem doktorat z bioinżynierii pod kierunkiem profesora Roberta Langera. A potem, po kilku miesiącach stażu podoktorskiego, dołączyłam do mojego obecnego stanowiska. Obszary badawcze, na których się skupiamy, znajdują się na styku biologii, inżynierii i materiałoznawstwa.

Staramy się odpowiedzieć na pytania, na które biobiolodzy próbują odpowiedzieć od dawna, ale próbują to zrobić w sposób, który wcześniej nie był możliwy do osiągnięcia, wprowadzając nowe technologie i nowe perspektywy, aby zrozumieć te pytania. Jednym z głównych problemów medycznych, z którymi próbujemy się zmierzyć, jest niedobór narządów. Jak wygenerować trójwymiarowe narządy, które mogłyby być potencjalnie przeszczepione, aby, no wiecie, oczywiście jest ogromny niedobór narządów takich jak te, a wielu pacjentów wymaga narządów do przeszczepu i są ogromne listy oczekujących.

Jedną z rzeczy, które my i inni ludzie w dziedzinie inżynierii tkankowej próbujemy zrobić, jest próba stworzenia metod, dzięki którym możemy tworzyć sztuczne tkanki. Zgodnie z tą samą koncepcją, jednym z głównych problemów, które obecnie istnieją, a który dotyczy również odkrywania leków i znajdowania nowych leków, jest to, jak możemy stworzyć lepsze modele, które reprezentują tkanki poza organizmem, abyśmy mogli testować leki i chemikalia i zobaczyć, jaki jest ich wpływ na tego rodzaju tkanki. A kiedy już zrobimy to właściwie, będziemy mogli znacznie lepiej przewidywać, które leki

Nie ma więc konieczności wycofywania leków po ich zatwierdzeniu i skutków ubocznych, a proces odkrywania leków jest znacznie lepszy. Urządzenia mikroprzepływowe są podsekcją tego, co nazywamy technologiami mikroskalowymi. A co w tej mikroskali technologie, ja, może wyjaśnię, od czego to zacząć.

To, co próbują zrobić, to próba naśladowania złożoności tkanek biologicznych lub systemów biologicznych. Tak więc większość komórek ma około dziesiątek mikrometrów. Aby naprawdę zrozumieć komórki w tych wymiarach, trzeba dysponować technologiami, które pozwolą im zaprojektować to, co komórka widzi i co wyczuwa w skalach długości, które wahają się od znacznie mniejszych niż 10 mikrometrów do większych niż 10 mikrometrów.

Można więc mieć pojedyncze komórki i być w stanie manipulować ich otoczeniem. Tak więc system taki jak mikrofluidyka pozwala nam próbować, pozwala nam mieć bardzo ścisłą kontrolę nad tym, jak rozpuszczalne czynniki są dostarczane do komórek. Przykładem tego jest możliwość posiadania kanału mikroprzepływowego i generowania gradientu stężeń a, chemokiny, czynnika wzrostu lub cytokiny w środku.

To co pozwala nam teraz naśladować to, co dzieje się podczas normalnego rozwoju lub w systemach biologicznych, gdzie występują gradienty stężeń w całym organizmie, które faktycznie mówią komórce, co powinna zrobić. A co z systemami mikroprzepływowymi, możemy generować tego rodzaju złożoność biologiczną w bardzo szybki, kontrolowany sposób, a następnie analizować zachowanie komórek bezpośrednio w, w ekspozycji na tego rodzaju gradienty stężeń lub biologiczne sygnały zorientowane biologicznie i przestrzennie. Inżynieria tkankowa powstała prawdopodobnie około 20, 30 lat temu z pomysłem wykorzystania komórek do przeszczepu i połączenia ich z materiałami, abyśmy mogli, wiecie, generować lepsze trójwymiarowe tkanki i tak naprawdę początkowo zapoczątkowana przez ludzi próbujących uzyskać materiały biodegradowalne, zrobić z nich pianki.

Są to bardzo porowate struktury. A następnie zasiewanie tych pianek komórkami. Tak więc, gdy komórki poruszają się wewnątrz tej pianki, osiadają w określonych miejscach i w miarę upływu czasu komórki zaczynają odkładać swoją własną matrycę biologiczną.

A ponieważ materiały te są biodegradowalne, z czasem ulegają degradacji, a to, co pozostaje, to całkowicie biologiczna tkanka. To podejście było szczególnie przydatne w przypadku niektórych prostszych narządów, takich jak chrząstki. Były też takie rzeczy, jak nasza sztuczna skóra, która została zatwierdzona przez FDA.

Jest to więc klinicznie wykonalne. Tam, gdzie to podejście potencjalnie mogłoby być bardziej pomocne, to w odniesieniu do bardziej złożonych struktur, takich jak serce, gdzie lub wątroba, gdzie naprawdę mamy do czynienia z bardzo kontrolowanymi interakcjami komórkowymi i bardzo kontrolowaną złożonością i architekturą w skali mikro. Jednym z pierwotnych pomysłów związanych z inżynierią tkankową było to, że kiedy umieszcza się komórki, komórki w pewnym sensie przegrupowują się, aby faktycznie wygenerować część tej złożoności, którą widzimy w normalnym ciele.

Ale to i to zdarza się do pewnego stopnia, ale nie dzieje się to do końca. Tak więc narząd inżynierii tkankowej na poziomie mikrostruktury nadal różniłby się od prawdziwie rodzimej tkanki biologicznej. A to dlatego, że komórki po prostu nie składają się tak, jak w pełni podczas, w trakcie, podczas rozwoju.

Staramy się więc, w odniesieniu do mikroskali i ruchomej inżynierii tkankowej w mikroskali, spróbować odtworzyć tę złożoność. Jak więc to zrobić? A więc jakie są złożoności, które chcemy wygenerować?

Cóż, jedną z rzeczy jest unaczynienie, że tkanki są bardzo, bardzo unaczynione i to zaopatrzenie zaopatruje tkankę w tlen, składniki odżywcze i inne rzeczy, których potrzebuje. W tej chwili bardzo trudno jest zmodyfikować duże struktury tkanek i być w stanie dostarczyć wszystkim komórkom odpowiednią ilość składników odżywczych i tlenu. Jedną z rzeczy, na które pozwalają nam technologie w mikroskali, jest potencjalna inżynieria mikronaczyniowa bezpośrednio w naszych trójwymiarowych strukturach.

Inną rzeczą, na którą pozwala nam technologia mikroskalowa, jest próba kontrolowania, jak różne typy komórek oddziałują na siebie w tej trójwymiarowej strukturze. Więc możesz chcieć, no wiesz, typ komórki w określonej strukturze i mieć obok niej drugorzędny typ komórki, tak jak w ciele. Korzystając z technologii w mikroskali, możemy próbować odtworzyć tego rodzaju geometrie i złożoność, które są obecne w ciele w naszej trójwymiarowej strukturze.

Nie musimy więc koniecznie mieć nadziei, że same się zmontują bezpośrednio wewnątrz rusztowań. Wyzwań jest wiele. Jednym z głównych wyzwań związanych z tym, jak możemy modyfikować tkanki, jest to, że nawet jeśli stworzymy tkankę, która jest trójwymiarowa, nadal chcemy, aby była funkcjonalna i istnieje wiele mechanicznych i biochemicznych funkcji metabolicznych, które wykonują normalne tkanki, które te organy inżynierii tkankowej muszą, no wiesz, w zasadzie odchwycić i naśladować.

Problemem jest to, że wiele narządów inżynierii tkankowej nie osiąga swojej wrodzonej, biologicznej sprawności. Częścią problemu jest to, że jeśli chodzi o rodzaje materiałów, których obecnie używamy, niekoniecznie są one zoptymalizowane pod kątem różnych zastosowań. I wiecie, my, my obecnie, nadal musimy zrozumieć biologię rozwoju i biologię gojenia się ran, aby móc odtworzyć warunki, które pozwolą komórkom w tych trójwymiarowych rusztowaniach naprawdę przejść całą drogę do tego, co wiecie, że byłyby w ciele podczas normalnego rozwoju lub normalnego gojenia się ran, abyśmy mogli uzyskać końcowe struktury, które faktycznie naśladują prawdziwie zregenerowane lub. Wiesz, rozwinięte tkanki.

A biologia wciąż jest badana i rozwijana. Więc, wiecie, jedna rzecz to biologia, a druga to lepsze materiały. I na koniec, myślę, że dużym problemem jest nadal źródło komórek.

Dlatego tak ważne jest, aby próbować badać alternatywne źródła komórek, ponieważ komórki naszego ciała, które są dorosłymi komórkami macierzystymi, są bardzo, wiecie, potencjalnym, potencjalnie żywym źródłem komórek. Również rzeczy takie jak embrionalne, a także nowe podejścia, które ludzie odkrywają, używając komórek skóry lub innych komórek, aby uzyskać bardzo prymitywne komórki, gdzie można spróbować skierować ich różnicowanie i uzyskać realne źródło komórek. Powiedziałbym, że są to trzy główne problemy, lepsze materiały, lepsze zrozumienie biologii i uzyskanie lepszego źródła komórek w ciągu najbliższych pięciu lat.

Tam będzie wiele zmian w zakresie szerszego zastosowania tych technologii w mikroskali zarówno dla biologów, jak i inżynierów tkankowych. Myślę, że wiele osób zdaje sobie teraz sprawę z tego, jak ważne jest studiowanie zarówno biologii, jak i generowanie tkanek z rozdzielczością w mikroskali. Wierzę, że będzie to bardzo, no wiesz, kontynuacja trendu przez następne kilka lat.

Myślę, że kolejnym aspektem jest to, że będzie o wiele więcej interakcji między ludźmi zajmującymi się produktem końcowym, czy to lekarzami klinicznymi i, no wiesz, FDA, czy innymi agentami regulacyjnymi, a przede wszystkim ludźmi biznesu. A więc jest tam, tam będzie coraz więcej interakcji z tymi jednostkami, z podstawowymi badaczami, którzy próbują cofnąć się i spróbować zobaczyć, jakie są główne problemy w komercjalizacji niektórych z nauk naukowych, które zostały rozwinięte. I myślę, jak to zrobić w sposób, który jest bezpieczny i etycznie odpowiedzialny.

Myślę więc, że zarówno z naukowego punktu widzenia jest jeszcze wiele do zrobienia, ale także w odniesieniu do innych rzeczy, nadal będzie to miało miejsce, wiele rzeczy zostanie stworzonych i myślę, że co najmniej pięć lat to będzie kilka pierwszych kroków, a w ciągu następnych 10, 15 lat to czas, kiedy naprawdę rzeczy staną się interesujące w odniesieniu do tego, jak niektóre z tych technologii, Szczególnie w odniesieniu zarówno do inżynierii tkankowej, jak i jej dziedziny, to zastosowanie tych technologii do testów odkrywania leków i tak dalej, jak to zostanie wykorzystane w rzeczywistych, rzeczywistych zastosowaniach, naprawdę zależy od tego, o jakim narządzie mówimy i o jakim zastosowaniu mówimy. Oczywiście, pierwszym i najbardziej oczywistym zastosowaniem sztucznych tkanek jest obszar odkrywania leków lub diagnostyki, gdzie próbujesz lepiej zrozumieć, uzyskać lepsze modele fizjologiczne, które możesz mieć w kulturze tkankowej poza ciałem i być w stanie je analizować, sondować je, aby lepiej zrozumieć biologię lub sondować je, aby zrozumieć. wiesz, skuteczne chemikalia lub leki. I myślę, że w tej dziedzinie, głównym wyzwaniem jest uzyskanie czegoś, co naśladuje rodzimą tkankę tak kompletnie, jak to tylko możliwe, tak że jeśli twój konstrukt tkankowy mówi, że coś jest toksyczne, możesz być bardzo pewien, że jeśli umieścisz to u zwierzęcia, to będzie to. Będzie toksyczny i będzie bardzo przewidywał, jaką reakcję otrzymasz u zwierzęcia.

Tak więc, i myślę, że w odniesieniu do rzeczywistych zastosowań terapeutycznych, jest jeszcze wiele przeszkód do pokonania. Myślę, że najważniejszymi z nich są to, jak te środki terapeutyczne będą się zachowywać, no wiecie, krótkoterminowo i długoterminowo, ponieważ nikt tak naprawdę, naprawdę nie rozumie, jak obce komórki, powiedzmy, no wiecie, inżynieria tkankowa lub komórki napędowe komórek macierzystych z embrionalnych komórek macierzystych lub wiecie, od innych ludzi będą się zachowywać w. w moim ciele lub ciele kogoś innego w dłuższej perspektywie. A z drugiej strony, myślę, że są też inne pytania etyczne, takie jak, no wiesz, jak to właściwie robimy, wiesz, co jest najlepszym źródłem komórek, które jest, no wiesz, zarówno etycznie kwestionowane, etycznie odpowiedzialne, ale także naukowo i klinicznie wykonalne, a jeśli chodzi o faktyczną inżynierię narządów, myślę, że głównym pytaniem jest, czy możesz mieć coś, co jest zarówno bezpieczne, jak i będzie działać prawidłowo. I wiesz, Istnieje wiele mechanizmów regulacyjnych, które każdy rodzaj narządu inżynierii tkankowej musi pokonać.

Myślę, że FDA w tym momencie zaczyna badać, jak faktycznie regulować biologiczne tkanki, które ludzie projektują do zastosowań terapeutycznych. Myślę, że jest jeden lub dwa precedensy dla tego rodzaju produktów zmierzających do komercjalizacji, ale nie ma jeszcze bardzo ustandaryzowanej drogi, dzięki której wiesz dokładnie, co się stanie, aby uzyskać coś z laboratorium do produktu końcowego. Jeśli chodzi o niektóre z tych sztucznych tkanek biologicznych, to naprawdę zależy od narządu. Więc dla niektórych, no wiecie, czegoś takiego jak skóra, no wiecie, już to mamy.

Jeśli chodzi o coś takiego jak serce, pełne serce, powiedziałbym, że jesteśmy bardzo daleko. Wiesz, powiedziałbym, że może, no wiesz, prawdopodobnie 50 lat, wiesz, chcę być bardzo konserwatywny. Może to nastąpić wcześniej, ale istnieje wiele wyzwań, aby uzyskać coś, co prawidłowo i ma odpowiednią złożoność oraz prawidłowo funkcjonuje tak, jak normalna tkanka biologiczna.

Ale myślę, że jeśli chodzi o mniejsze rzeczy, takie jak tkanka serca, a nie całe serce, jesteśmy znacznie bliżej. Powiedziałbym, że jeśli chodzi o zastosowanie kliniczne i coś, co przeszło przez proces regulacyjny, to możliwe jest coś w ciągu 15 lat, żeby mieć nadające się do przeszczepu kawałki tkanki serca, które można, można zrobić. Myślę, że większość z nich będzie na etapie regulacji, ponieważ w tej chwili na zatwierdzenie leku potrzeba 12 lat.

Więc nawet jeśli mamy coś w tej chwili, co uważamy za idealne, to zajmie nam co najmniej dekadę, aby upewnić się, że jest to bezpieczne i spełnia właściwą funkcję, abyśmy mogli, wiecie, szeroko i szeroko stosować to u pacjentów.