1: Przegląd inżynierii tkankowej

Inżynieria tkankowa to dziedzina medycyny regeneracyjnej, która wykorzystuje komórki, biomateriały i biologicznie aktywne cząsteczki do tworzenia, naprawy lub zastępowania tkanek. Tkanka naturalna składa się ze składnika strukturalnego, macierzy zewnątrzkomórkowej lub ECM, oraz komórek specyficznych dla tkanki, które ją zamieszkują. Tkanka inżynieryjna ma na celu jak najwierniejsze upodobnienie się do tkanki naturalnej, przy użyciu naturalnych lub zmodyfikowanych składników strukturalnych i komórek specyficznych dla tkanki. Ten film wprowadzi w dziedzinę inżynierii tkankowej, zademonstruje niektóre typowe techniki i wyzwania w tej dziedzinie oraz przedstawi niektóre zastosowania tej technologii.

Najpierw przyjrzyjmy się typowym składnikom tkanki inżynieryjnej. Tkanka jest tworzona przez uprzednie stworzenie rusztowania przy użyciu biomateriału. Rusztowanie tkankowe ma na celu zapewnienie struktury i naśladowanie naturalnego ECM. Rusztowanie tkankowe może przyjmować wiele różnych morfologii, takich jak mata włóknista lub hydrożel, w zależności od pożądanego rodzaju tkanki. W każdym przypadku zastosowany biomateriał musi sprzyjać adhezji komórek i pożądanej interakcji między nimi. Alternatywnie, bezkomórkowe rusztowanie z narządu dawcy może być również użyte do nadania struktury nowej tkance. Kolejnym elementem są komórki. Wszystkie tkanki wykorzystują żywe komórki, które definiują typ tkanki. Na przykład fibroblasty są używane do produkcji skóry, a chondrocyty są używane do wytwarzania chrząstki. Komórki wykorzystywane w tkankach inżynieryjnych mogą pochodzić z kilku źródeł. Komórki pierwotne są ekstrahowane z tkanki natywnej, co wymaga, aby tkanka natywna została rozdrobniona i strawiona enzymem w celu uwolnienia komórek. Alternatywnie można użyć ogniw wtórnych, które są dostępne w banku komórek. Jednak komórki te nie są specyficzne dla pacjenta i mogą powodować odrzucenie. Wreszcie, można również wykorzystać komórki macierzyste, które są niezróżnicowanymi komórkami, które są w stanie dać początek różnym formom wyspecjalizowanych komórek lub replikować się. Aby stworzyć tkankę, wybrane komórki są wysiewane na rusztowaniu tkankowym wraz z niezbędnymi czynnikami wzrostu, które stymulują tworzenie tkanek. Wysiane rusztowania pozwala się następnie rosnąć w kulturze statycznej. Alternatywnie, specjalistyczne reaktory do hodowli tkankowych mogą być używane do wysiewu i hodowli zmodyfikowanej tkanki.

Teraz, gdy składniki tkanki inżynieryjnej zostały wprowadzone, przyjrzyjmy się kilku powszechnym metodom stosowanym w tej dziedzinie. Wytwarzanie rusztowania tkankowego może być najbardziej krytycznym czynnikiem określającym właściwości mechaniczne tkanki. Popularną morfologią rusztowania jest rusztowanie elektroprzędzone, które jest matą z włókien w mikroskali. Elektroprzędzenie odbywa się poprzez przyłożenie napięcia między płytką zbiorczą a końcówką strzykawki zawierającej biomateriał. W ten sposób powstają mikrowłókna, które mogą się zbierać, dopóki mata nie osiągnie niezbędnych wymagań dla rusztowania. Musi mieć połączone ze sobą mikropory, aby umożliwić migrację komórek i składników odżywczych; odpowiednia powierzchnia sprzyjająca adhezji komórek; i właściwości mechaniczne, które odpowiadają tkance rodzimej. Następnie, kluczową techniką stosowaną do hodowli tkanek jest reaktor do hodowli tkankowych. Rusztowania tkankowe są często obsiewane komórkami za pomocą technik kropelkowych lub zanurzeniowych i pozwalają im rosnąć w kulturze stagnacji. Jednak naturalne tkanki, takie jak naczynia krwionośne, rosną pod wpływem stymulacji mechanicznej. Reaktory do hodowli tkankowych mają na celu naśladowanie warunków fizjologicznych, takich jak pulsacyjny przepływ w tętnicach, w celu wpływania na zachowanie i wzrost komórek śródbłonka i mięśni w tętnicy.

Wyzwania w tej dziedzinie stoją jednak przed wieloma wyzwaniami. Głównym ograniczeniem tkanek modyfikowanych in vitro jest brak układów krwionośnych. Naturalne tkanki posiadają unaczynienie, które dostarcza składników odżywczych i usuwa odpady. Jednak tkanka inżynieryjna w dużej mierze opiera się na dyfuzji, co ogranicza dostarczanie składników odżywczych i rozmiar tkanki. Jedna ze strategii unaczynienia koncentruje się na użyciu syntetycznych rusztowań z wbudowanym układem naczyniowym, które mogą pomóc w dostarczaniu składników odżywczych do tkanki. Chociaż korzyści płynące z tkanki inżynieryjnej są dalekosiężne, trudno jest wyprodukować tkankę na wystarczająco dużą skalę do użytku klinicznego. W celu implantacji należy najpierw pobrać komórki od pacjenta, a następnie namnażać się i hodować na rusztowaniu. Wymagałoby to oddzielnych systemów hodowli komórkowych dla każdego pacjenta. Oprócz znacznej ilości czasu potrzebnego na te kroki, wyzwania regulacyjne i wysokie koszty sprawiają, że na tym etapie trudno jest je wdrożyć na szeroką skalę.

Teraz, gdy znasz już niektóre z obecnych metod i wyzwań inżynierii tkankowej, przyjrzyjmy się niektórym zastosowaniom tej technologii. Inżynieria tkankowa może być stosowana w przewlekłym gojeniu ran lub oparzeń. Jedną z metod jest użycie rusztowania tkankowego zawierającego czynniki wzrostu, ale bez komórek. Zdecellularyczna matryca wspomaga migrację komórek i zachęca do wzrostu tkanek. Alternatywnie, w przypadku głębokich ran, można użyć macierzy zawierającej komórki, która integruje się z tkanką gospodarza. Docelowo naukowcy dążą do tego, aby móc w pełni zastąpić uszkodzone narządy. Obecnie podchodzi się do tego za pomocą hodowli organów. Najpierw narząd dawcy, taki jak w tym przypadku płuco, jest decellularyzowany i utrzymywana jest jego natywna struktura, a następnie płuco jest rekomórkowane komórkami pacjenta. Ograniczyłoby to odrzucenie i potrzebę dopasowania dawcy.

Właśnie obejrzałeś "Przegląd inżynierii tkankowej" Jowisza. Powinieneś teraz zapoznać się z kilkoma podstawowymi pojęciami i metodami w tej dziedzinie, a także z niektórymi kluczowymi wyzwaniami i zastosowaniami. Dzięki za oglądanie.