Metody eksperymentalne w inżynierii tkankowej

Nazywam się Ali Kamasi i obecnie jestem adiunktem w Division of Health Sciences and Technology na Harvard MIT. Posiadam również wspólne powołanie w Harvard Medical School, a konkretnie w Brigham and Women's Hospital, który jest jednostką stowarzyszoną z Harvard Medical School. Moje obszary badawcze obejmują inżynierię tkankową w skali mikro oraz biomechanikę.

Moje wykształcenie akademickie koncentruje się przede wszystkim na inżynierii chemicznej, od której zaczynałem. Studia licencjackie z inżynierii chemicznej ukończyłem na University of Toronto, a następnie zainteresowałem się inżynierią zorientowaną na biologię. W związku z tym kontynuowałem naukę na University of Toronto, uzyskując stopień magistra z inżynierii biomedycznej, specjalizując się w różnicowaniu komórek macierzystych.

Następnie przyjechałem do MIT, gdzie pod kierunkiem profesora Roberta Langera ukończyłem studia doktoranckie z bioinżynierii. Po kilku miesiącach stażu podoktorskiego objąłem obecne stanowisko. Obszary badawcze, na których się koncentrujemy, znajdują się na styku biologii, inżynierii i nauki o materiałach.

Naszym celem jest próba udzielenia odpowiedzi na pytania, nad którymi biolodzy zastanawiali się od dawna, ale chcemy zrobić to w sposób, który wcześniej był nieosiągalny, wprowadzając nowe technologie i nowe perspektywy w rozumieniu tych kwestii. Jednym z głównych problemów medycznych, który staramy się rozwiązać, jest przede wszystkim niedobór organów. Zastanawiamy się, jak wytworzyć trójwymiarowe organy, które mogłyby zostać potencjalnie przeszczepione, ponieważ oczywistym jest, że istnieje ogromny deficyt narządów, wielu pacjentów wymaga transplantacji, a listy oczekujących są bardzo długie.

Jednym z celów, które staramy się osiągnąć my oraz inne osoby z dziedziny inżynierii tkankowej, jest opracowanie metod pozwalających na tworzenie tkanek sztucznych. W związku z tym głównym problemem, który obecnie istnieje – również w obszarze odkrywania nowych leków – jest kwestia generowania lepszych modeli reprezentujących tkanki poza organizmem, co pozwoliłoby nam testować leki i substancje chemiczne oraz obserwować ich wpływ na tego rodzaju tkanki. Gdy uda nam się to właściwie zrealizować, będziemy mogli znacznie lepiej przewidywać, które leki okażą się rzeczywiście skuteczne.

Dzięki temu można uniknąć, wiecie, wycofywania leków z rynku po ich zatwierdzeniu oraz występowania skutków ubocznych, co pozwala na znacznie lepszy proces odkrywania leków. Urządzenia mikrofluidyczne stanowią podgrupa tego, co nazywamy technologiami w skali mikro. I w związku z tymi technologiami w skali mikro, może zacznę od wyjaśnienia, czym one są.

Ich celem jest próba odwzorowania złożoności tkanek biologicznych lub systemów biologicznych. Większość komórek ma rozmiary rzędu kilkudziesięciu mikrometrów. Aby naprawdę zrozumieć komórki w tych wymiarach, konieczne jest zastosowanie technologii umożliwiających projektowanie tego, co komórka widzi i co wyczuwa w skalach długości obejmujących zakres od znacznie mniejszych niż 10 µm do większych niż 10 µm.

Dzięki temu można dysponować pojedynczymi komórkami i mieć możliwość manipulowania ich otoczeniem. Systemy takie jak mikrofluidyka pozwalają nam na bardzo ścisłą kontrolę nad sposobem dostarczania czynników rozpuszczalnych do komórek. Przykładem jest możliwość wykorzystania kanału mikrofluidycznego do wytworzenia w nim gradientu stężeń chemokiny, czynnika wzrostu lub cytokiny.

Dzięki temu możemy obecnie próbować naśladować zjawiska występujące podczas prawidłowego rozwoju lub w układach biologicznych, w których w całym organizmie występują gradienty stężeń, które de facto informują komórkę o tym, co powinna robić. Wykorzystując systemy mikroprzepływowe, możemy w bardzo szybki i kontrolowany sposób generować tego rodzaju złożoność biologiczną, a następnie analizować zachowanie komórek bezpośrednio podczas ekspozycji na takie gradienty stężeń lub sygnały zorientowane biologicznie i przestrzennie. Inżynieria tkankowa narodziła się prawdopodobnie około 20–30 lat temu z pomysłem wykorzystania komórek do transplantacji i połączenia ich z materiałami, aby móc generować lepsze tkanki trójwymiarowe; początkowo badania koncentrowały się na poszukiwaniu materiałów biodegradowalnych i wytwarzaniu z nich pianek.

Zatem, jak wiemy, są to struktury bardzo porowate. Następnie te pianki zasiewa się komórkami. W miarę jak komórki przemieszczają się wewnątrz pianki, osadzają się w określonych miejscach, a z upływem czasu zaczynają one odkładać własną macierz biologiczną.

Ponieważ materiały te są biodegradowalne, z czasem ulegają one rozkładowi, w wyniku czego pozostaje całkowicie biologiczna tkanka. Takie podejście okazało się szczególnie użyteczne w przypadku prostszych narządów, takich jak chrząstka. Istnieją wręcz rozwiązania, takie jak nasza sztuczna skóra, które otrzymały zatwierdzenie FDA.

Zatem metoda ta okazała się klinicznie wykonalna. Obszar, w którym to podejście potencjalnie wymagałoby dalszych usprawnień, dotyczy bardziej złożonych struktur, takich jak serce czy wątroba, w których występują ściśle kontrolowane oddziaływania międzykomórkowe oraz precyzyjnie zdefiniowana złożoność i architektura w skali mikro. Jednym z pierwotnych założeń inżynierii tkankowej było to, że po zaimplantowaniu komórek, będą one w pewnym stopniu reorganizować się samodzielnie, aby wygenerować część tej złożoności, którą obserwujemy w normalnym organizmie.

Ale to, i rzeczywiście dzieje się to w pewnym stopniu, ale nie dzieje się to w pełni. Zatem organ stworzony metodami inżynierii tkankowej na poziomie mikrostruktury nadal różniłby się od prawdziwej natywnej tkanki biologicznej. Dzieje się tak dlatego, że komórki po prostu nie organizują się tak całkowicie, jak miałyby to zrobić w trakcie rozwoju.

W związku z tym w kontekście mikroskali i rozwoju inżynierii tkankowej w tej skali, staramy się odtworzyć tę złożoność. W jaki sposób to robimy? I jakie aspekty tej złożoności chcemy wygenerować?

Jedną z kwestii jest to, że tkanki unaczynione są bardzo silnie ukrwione, co zapewnia dostarczanie do tkanki tlenu, składników odżywczych i innych niezbędnych elementów. Obecnie bardzo trudno jest zaprojektować duże struktury tkankowe w taki sposób, aby zapewnić wszystkim komórkom odpowiednią ilość składników odżywczych i tlenu. Jedną z możliwości, jakie dają nam technologie w skali mikro, jest potencjalna możliwość bezpośredniego zaprojektowania mikro-naczyń w naszych strukturach trójwymiarowych.

Kolejną możliwością, jaką dają nam technologie w skali mikro, jest próba kontrolowania interakcji między różnymi typami komórek w obrębie tej trójwymiarowej struktury. Możemy zatem dążyć do tego, aby dany typ komórek znajdował się w konkretnej strukturze, a obok niego znajdował się wtórny typ komórek, dokładnie tak, jak ma to miejsce w organizmie. Wykorzystując technologie w skali mikro, możemy starać się odtworzyć tego rodzaju geometrie i złożoności występujące w organizmie wewnątrz naszej struktury trójwymiarowej.

Dzięki temu nie musimykoniecznie liczyć na to, że samoorganizują się one bezpośrednio wewnątrz rusztowań. Istnieje szereg wyzwań. Jednym z głównych problemów w kontekście inżynierii tkankowej jest fakt, że nawet jeśli stworzymy tkankę trójwymiarową, nadal chcemy, aby była ona funkcjonalna; normalne tkanki pełnią różnorodne funkcje mechaniczne, biochemiczne i metaboliczne, które organy wytworzone metodami inżynierii tkankowej muszą w zasadzie odtworzyć i naśladować.

Obecnym problemem jest fakt, że wiele organów inżynierii tkankowej nie osiąga wydajności biologicznej typowej dla tkanek natywnych. Częściowo wynika to z rodzaju stosowanych obecnie materiałów, które niekoniecznie są zoptymalizowane pod kątem różnorodnych zastosowań. Nadal musimy lepiej zrozumieć biologię rozwoju oraz biologię gojenia ran, aby móc odtworzyć warunki pozwalające komórkom w tych trójwymiarowych rusztowaniach na pełną realizację procesów, jakie zachodzą w organizmie podczas normalnego rozwoju lub naturalnego gojenia ran, tak aby uzyskać struktury końcowe, które faktycznie naśladują prawdziwie zregenerowane lub rozwinięte tkanki.

Aspekty biologiczne są wciąż badane i rozwijane. Zatem, jak widać, jedną z kwestii jest biologia, inną lepsze materiały, a na koniec uważam, że dużym problemem pozostaje wciąż źródło komórek.

Właśnie dlatego tak ważne jest poszukiwanie alternatywnych źródeł komórek, ponieważ komórki naszego organizmu, a konkretnie dorosłe komórki macierzyste, stanowią bardzo potencjalnie użyteczne źródło. Istnieją również możliwości wykorzystania komórek embrionalnych, a także nowe podejścia, w których wykorzystuje się komórki skóry lub inne typy komórek do uzyskania komórek bardzo prymitywnych, których różnicowanie można próbować sterować, aby uzyskać funkcjonalne źródło komórek. Zatem powiedziałbym, że w ciągu najbliższych pięciu lat trzema głównymi wyzwaniami będą: opracowanie lepszych materiałów, lepsze zrozumienie biologii oraz pozyskanie lepszego źródła komórek.

Wprowadzonych zostanie wiele zmian w celu uczynienia tych technologii mikroskalowych bardziej dostępnymi zarówno dla biologów, jak i inżynierów tkankowych. Sądzę, że wiele osób uświadamia sobie obecnie, jak ważne jest rzetelne badanie biologii oraz generowanie tkanek z rozdzielczością mikroskalową. Wierzę, że będzie to trend utrzymujący się przez najbliższe kilka lat.

Uważam również, że innym aspektem będzie znacznie większa interakcja między osobami odpowiedzialnymi za końcowy produkt – czy to lekarzami klinicystami, FDA i innymi organami regulacyjnymi, czy osobami z sektora biznesowego – a badaczami podstawowymi. Będzie dochodzić do coraz częstszych interakcji z tymi podmiotami w celu analizy głównych problemów związanych z komercjalizacją opracowanych rozwiązań naukowych oraz wypracowania sposobów, aby robić to w sposób bezpieczny i etycznie odpowiedzialny.

Sądzę, że zarówno z naukowego punktu widzenia, jak i w innych aspektach, wciąż pozostało do zrobienia wiele. Uważam, że najbliższe pięć lat to będzie zaledwie pierwsze kroki, natomiast w ciągu kolejnych 10–15 lat sprawy staną się naprawdę interesujące w kontekście tego, jak te technologie – szczególnie inżynieria tkankowa oraz zastosowanie tych technologii w testach odkrywania leków – zostaną wykorzystane w rzeczywistych aplikacjach. Zależy to w dużej mierze od tego, o jakim organie i o jakim rodzaju zastosowania mówimy. Oczywiście pierwszym i najbardziej oczywistym zastosowaniem sztucznych tkanek jest obszar odkrywania leków lub diagnostyka, gdzie dąży się do uzyskania lepszych modeli fizjologicznych w hodowlach tkankowych poza organizmem, aby móc je analizować i badać w celu lepszego zrozumienia biologii lub w celu sprawdzenia skuteczności substancji chemicznych bądź leków. Myślę, że w tym obszarze głównym wyzwaniem jest stworzenie czegoś, co w jak największym stopniu naśladuje tkankę natywną, tak aby w przypadku, gdy konstrukt tkankowy wskaże toksyczność danej substancji, można było mieć pewność, że po podaniu jej zwierzęciu również okaże się ona toksyczna i będzie to bardzo precyzyjna prognoza odpowiedzi organizmu zwierzęcia.

Uważam zatem, że w odniesieniu do rzeczywistych zastosowań terapeutycznych wciąż istnieje wiele przeszkód do pokonania. Sądzę, że głównymi z nich są kwestie dotyczące tego, jak te środki terapeutyczne będą się zachowywać w krótkim i długim terminie, ponieważ nikt tak naprawdę nie rozumie, jak obce komórki – na przykład komórki inżynierii tkankowej lub komórki pochodne komórek macierzystych z embrionów bądź od innych osób – będą zachowywać się w moim lub czyimś organizmie w dłuższej perspektywie. Ponadto istnieją inne pytania etyczne, takie jak to, jakie jest najlepsze źródło komórek, które byłoby zarówno etycznie odpowiedzialne, jak i naukowo oraz klinicznie wykonalne. Z kolei w kwestii właściwej inżynierii organów kluczowym pytaniem jest to, czy można stworzyć coś, co będzie jednocześnie bezpieczne i będzie funkcjonować prawidłowo. Istnieje wiele mechanizmów regulacyjnych, przez które musi przejść każdy rodzaj organu wytworzonego metodami inżynierii tkankowej.

Sądzę, że FDA na tym etapie zaczyna badać sposób regulacji tkanek biologicznych, które są projektowane przez ludzi do zastosowań terapeutycznych. Myślę, że istnieje jeden lub dwa precedensy dotyczące wprowadzania tego rodzaju produktów do komercjalizacji, ale wciąż nie ma bardzo zestandaryzowanej ścieżki, dzięki której wiadomo dokładnie, co musi się stać, aby przenieść coś z laboratorium do końcowego produktu. W odniesieniu do niektórych z tych sztucznych tkanek biologicznych, zależy to w rzeczywistości od organu. W przypadku czegoś takiego jak skóra, wiadomo, że już dysponujemy takimi rozwiązaniami.

W przypadku czegoś takiego jak serce, pełne serce, powiedziałbym, że jesteśmy bardzo daleko. Myślę, że może to zająć, powiedzmy, prawdopodobnie 50 lat – chcę być bardzo ostrożny w przewidywaniach. Może stać się to wcześniej, ale istnieje wiele wyzwań, aby uzyskać strukturę, która byłaby odpowiednio złożona i funkcjonowała właściwie, tak jak robiłaby to normalna tkanka biologiczna.

Sądzę jednak, że w przypadku mniejszych struktur, takich jak tkanka serca, a nie całego serca, jesteśmy znacznie bliżej. Powiedziałbym, że w odniesieniu do zastosowań klinicznych i rozwiązań, które faktycznie przeszły proces regulacyjny, możliwe jest, w ciągu np. 15 lat, stworzenie przeszczepialnych fragmentów tkanki serca. Myślę, że większość z tych wyzwań będzie dotyczyć etapu regulacyjnego, ponieważ obecnie zatwierdzenie leku trwa 12 lat.

Zatem nawet jeśli dysponujemy obecnie czymś, co wydaje się idealne, potrzeba będzie co najmniej dekady, aby upewnić się, że jest to bezpieczne i pełni właściwą funkcję, tak abyśmy mogli wprowadzić to do szerokiego zastosowania u pacjentów.