Экспериментальные подходы к тканевой инженерии

Меня зовут Али Камаси, и в настоящее время я являюсь доцентом Отделения медицинских наук и технологий Гарвардского технологического института. И у меня есть совместная встреча с Гарвардской медицинской школой, а именно с Бригамом и Женской больницей, которая является филиалом Гарвардской медицинской школы. А мои исследования связаны с микромасштабной тканевой инженерией и биомами.

Так что мое академическое образование больше связано с химической инженерией. Я получил степень бакалавра в области химической инженерии в Университете Торонто, и впоследствии меня очень заинтересовала инженерия, ориентированная на биологию. Поэтому я получил степень магистра в области биомедицинской инженерии, продолжив обучение в Университете Торонто, специализируясь на дифференцировке стволовых клеток.

А потом я приехал в Массачусетский технологический институт и защитил докторскую диссертацию у профессора Роберта Лангера в области биоинженерии. И впоследствии, после нескольких месяцев постдока, я присоединился к своей нынешней должности. Области исследований, на которых мы фокусируемся, на самом деле находятся на стыке биологии, инженерии и материаловедения.

Итак, то, что мы пытаемся сделать, это попытаться ответить на вопросы, на которые биобиологи пытаются ответить в течение долгого времени, но пытаемся сделать это таким образом, как это ранее было невозможно, привнося новые технологии и новые перспективы в понимание этих вопросов. И одна из основных медицинских проблем, которую мы пытаемся решить, это нехватка органов. Как мы создаем трехмерные органы, которые потенциально могут быть пересажены так, что, вы знаете, очевидно, существует огромная нехватка органов, и многие пациенты нуждаются в органах для трансплантации, и существуют огромные списки ожидания.

Так что одна из вещей, которую мы и другие люди в области тканевой инженерии пытаемся сделать, это попытаться создать подходы, при которых мы можем создавать искусственные ткани. И в соответствии с той же концепцией, одна из основных проблем, которая существует прямо сейчас, которая также связана с открытием лекарств и нахождением новых лекарств, заключается в том, как мы можем создавать лучшие модели, представляющие ткани вне тела, чтобы мы могли тестировать лекарства и химические вещества и видеть, как они влияют на эти виды тканей. И как только мы сможем сделать это правильно, мы сможем гораздо лучше предсказывать, какие лекарства на самом деле будут эффективными.

Таким образом, у вас нет отзыва лекарств после того, как они были одобрены, и побочных эффектов, и вы можете иметь гораздо более эффективный процесс разработки лекарств. Микрофлюидные устройства являются подразделом того, что мы называем микромасштабными технологиями. А что касается этих микромасштабных технологий, я, может быть, объясню, с чего и начать.

Они пытаются имитировать сложность биологических тканей или биологических систем. Таким образом, большинство клеток имеют размеры около десятков микрометров. И чтобы по-настоящему понять клетки в этих размерах, вам нужны технологии, способные спроектировать то, что клетка видит и что она чувствует в масштабах длины, которые находятся в диапазоне от гораздо меньше 10 микрометров до более 10 микрометров.

Таким образом, вы можете иметь отдельные клетки и иметь возможность манипулировать их окружением. Таким образом, такая система, как микрофлюидика, позволяет нам пытаться, позволяет нам иметь очень жесткий контроль над тем, как растворимые факторы доставляются в клетки. Примером этого является возможность иметь микрофлюидный канал и генерировать в нем градиент концентрации хемокина, фактора роста или цитокина.

И то, что это позволяет нам сделать сейчас, это попытаться имитировать то, что происходит во время нормального развития или в биологических системах, где существуют градиенты концентрации по всему организму, которые фактически сообщают клетке, что они и что она должна делать. С помощью микрофлюидных систем мы можем генерировать эти виды биологической сложности очень быстро контролируемым образом, а затем анализировать поведение клеток непосредственно в этих градиентах концентрации или биологических биологически и пространственно ориентированных сигналах. Итак, тканевая инженерия возникла, вероятно, около 20-30 лет назад с идеей использования трансплантируемых клеток и их слияния с материалами, чтобы мы могли создавать лучшие трехмерные ткани, и на самом деле изначально люди пытались получить биоразлагаемые материалы, делать из них пенопласты.

И это, знаете, очень пористые структуры. А затем засеиваем эти пены ячейками. По мере того, как клетки перемещаются внутри этой пены, они оседают в определенных местах, и со временем клетки начинают откладывать свою собственную биологическую матрицу.

А поскольку эти материалы биоразлагаемы, они со временем разлагаются, и у вас остается полностью биологическая ткань. И этот подход был особенно полезен для некоторых простых органов, таких как хрящи. И на самом деле были такие вещи, как наша искусственная кожа, которая была одобрена FDA.

Так что это было клинически жизнеспособно. В чем этот подход потенциально может быть более полезен, так это в отношении более сложных структур, таких как сердце или печень, где у вас действительно есть очень контролируемые взаимодействия между клетками и очень контролируемая сложность и архитектура на микроуровне. Одна из первоначальных идей тканевой инженерии заключалась в том, что когда вы помещаете клетки, клетки как бы перестраиваются, чтобы на самом деле генерировать некоторую сложность, которую вы видите в нормальном теле.

Но и то, и то в какой-то степени случается, но не всегда. Таким образом, тканевый орган на уровне микроструктуры, он все равно будет отличаться от подлинно родной биологической ткани. И это потому, что клетки просто не собираются сами по себе, как это было бы во время, во время развития.

Итак, то, что мы пытаемся сделать, это то, что мы пытаемся сделать в отношении микромасштаба и движущейся тканевой инженерии на микроуровне, это попытаться вернуть эту сложность. Так как же нам это сделать? Итак, и какие сложности мы хотим создать?

Ну, одна из вещей заключается в том, что ткани васкуляризации очень, очень сосудистые, и это снабжает ткань кислородом, питательными веществами и другими вещами, в которых она нуждается. Так что сейчас очень трудно спроектировать большие структуры тканей и снабдить все клетки необходимым количеством питательных веществ и кислорода. Одна из вещей, которую микромасштабные технологии позволяют нам сделать, — это потенциально спроектировать микрососудистую сеть непосредственно в наших трехмерных структурах.

Еще одна вещь, которую микромасштабные технологии позволяют нам сделать, — это попытаться контролировать, как различные типы клеток взаимодействуют в этой трехмерной структуре. Таким образом, вы можете захотеть иметь тип клеток в определенной структуре и иметь рядом с ним вторичный тип клеток, точно так же, как это было бы в организме. И используя микромасштабные технологии, мы можем попытаться восстановить такого рода геометрию и сложности, которые присутствуют в теле в нашей трехмерной структуре.

Так что нам не обязательно надеяться, что они будут самособираться непосредственно внутри лесов. Существует ряд проблем. Одна из основных проблем в отношении того, как мы можем спроектировать ткани, заключается в том, что даже если мы создадим трехмерную ткань, мы все равно хотим, чтобы она была функциональной, и существует множество механических и биохимических метаболических функций, которые выполняют нормальные ткани, которые эти тканевые инженерные органы должны, знаете ли, в основном захватывать и имитировать.

Итак, что сейчас является проблемой, так это то, что многие органы, созданные тканевой инженерией, не соответствуют своим естественным, знаете, биологическим характеристикам. И часть проблемы заключается в том, что в отношении типов материалов, которые мы используем сейчас, они не обязательно оптимизированы для различных применений. И вы знаете, нам в настоящее время все еще нужно лучше понимать биологию развития и биологию заживления ран, чтобы иметь возможность воссоздать условия, которые позволят клеткам внутри этих трехмерных каркасов действительно пройти весь путь до того, что вы знаете, они были бы в организме во время нормального развития или нормального заживления ран, чтобы мы могли получить окончательные структуры, которые на самом деле имитируют по-настоящему регенерированное или... Ну, знаете, развитые ткани.

И биология до сих пор изучается и развивается. Так что, знаете, одно дело — биология, другое — лучшие материалы. И, наконец, я думаю, что большой проблемой по-прежнему является источник клеток.

Вот почему очень важно попытаться исследовать альтернативные источники клеток, потому что клетки нашего организма, они, знаете, взрослые стволовые клетки, являются очень, знаете, потенциально потенциально жизнеспособным источником клеток. Также люди находят такие вещи, как эмбриональные и новые подходы, используя, знаете, клетки кожи или других клеток, чтобы получить очень примитивные клетки, где вы можете попытаться направить их дифференцировку и получить жизнеспособный источник клеток. Так что я бы сказал, что это три основные проблемы: лучшие материалы, лучшее понимание биологии и получение лучшего источника клеток в течение следующих пяти лет.

Произойдет много изменений в отношении того, чтобы сделать эти микромасштабные технологии более широко применимыми как для биологов, так и для инженеров-тканеведей. Я думаю, что многие люди сейчас понимают, насколько важно действительно изучать биологию и создавать ткани с микромасштабным разрешением. И я верю, что это будет очень, знаете, продолжающаяся тенденция в течение следующих нескольких лет.

И я думаю, что еще один аспект заключается в том, что будет гораздо больше взаимодействия между людьми, работающими над конечным продуктом, будь то клинические врачи и, вы знаете, FDA или другие регулирующие агенты, и вы знаете, в основном и деловые люди. Так что будет все больше и больше взаимодействия с этими сущностями, с фундаментальными исследователями, чтобы попытаться вернуться назад и попытаться увидеть, каковы основные проблемы в коммерциализации некоторых научных разработок. И я думаю, как мы можем сделать это безопасным и этически ответственным образом.

Так что я думаю, что как с научной точки зрения, так и с научной точки зрения еще предстоит сделать большие успехи, но также и в отношении других вещей, все еще будет сделано много вещей, и я думаю, что по крайней мере через пять лет будут первые несколько шагов, а в следующие 10-15 лет действительно все станет интересным в отношении того, как некоторые из этих технологий. В частности, что касается тканевой инженерии и ее применения, как эти технологии будут использоваться в реальных приложениях, зависит от того, о каком органе мы говорим и о каком виде применения мы говорим. Очевидно, что первое и наиболее очевидное применение искусственных тканей — это область разработки лекарств или диагностики, где вы пытаетесь лучше понять, получить лучшие физиологические модели того, что вы можете иметь в культуре тканей вне тела, и иметь возможность анализировать их, исследовать их, чтобы лучше понять биологию, или исследовать их, чтобы понять. Ну, знаете, эффективные химикаты или лекарства. И я думаю, что в этой области основная проблема заключается в том, чтобы действительно получить что-то, что имитирует родную ткань настолько полно, насколько это возможно, чтобы если ваша, если ваша тканевая конструкция говорит, что что-то токсично, вы могли быть очень уверены, что если вы поместите это в животное, то это будет оно. Он будет токсичен и будет очень предсказательным в отношении того, какую реакцию вы получите у животного.

Итак, и я думаю, что в отношении собственно терапевтического применения, есть еще много препятствий, которые нужно преодолеть. И я думаю, что главные, главные из них – это то, как эти терапевтические агенты будут себя вести, в краткосрочной и долгосрочной перспективе, потому что никто на самом деле не понимает, как, знаете, чужеродные клетки, скажем, тканевая инженерия или стволовые клетки, управляют клетками эмбриональных стволовых клеток или других людей. в своем теле или в чьем-то другом теле в долгосрочной перспективе. И второй, я думаю, есть и другие этические вопросы, такие как, знаете, как мы на самом деле, знаете, какой источник клеток является лучшим с этической точки зрения, который является этически ответственным, но также научно и клинически осуществимым, и что касается собственно инженерии органов, я думаю, главный вопрос заключается в том, можно ли иметь что-то, что является безопасным и в то же время будет работать должным образом. И вы знаете, Существует множество регуляторных механизмов, которые, как вы знаете, любой тканевый орган должен преодолеть.

И я думаю, что FDA на данный момент начинает изучать, как на самом деле регулировать биологические ткани, которые люди создают для терапевтических применений. И я думаю, что есть один или два приоритета для такого рода продуктов, идущих на коммерциализацию, но до сих пор нет очень стандартизированного пути, по которому вы точно знаете, что произойдет, чтобы получить что-то из лаборатории до конечного продукта. Что касается некоторых из этих искусственных биологических тканей, это действительно зависит от органа. Так что для некоторых, знаете, таких вещей, как кожа, вы знаете, вы знаете, вы знаете, у нас это уже есть.

Что касается чего-то вроде сердца, полного сердца, я бы сказал, что мы очень далеки. Вы знаете, я бы сказал, может быть, ну, наверное, 50, вы знаете, я хочу быть очень консервативным. Это может произойти раньше, но есть много проблем, чтобы получить что-то, что правильно и имеет нужную сложность и правильно функционирует, как это сделала бы обычная биологическая ткань.

Но я думаю, что в отношении более мелких вещей, таких как сердечная ткань, а не полное сердце, мы гораздо ближе. И я бы сказал, что в отношении клинического применения и того, что на самом деле прошло через процесс регулирования, вы знаете, возможно что-то в течение, знаете, 15 лет, вы знаете, на самом деле получить пересаживаемые фрагменты сердечной ткани, которые вы можете, вы можете сделать. И я думаю, что большая часть этого будет находиться на стадии регулирования, потому что сейчас для одобрения препарата требуется 12 лет.

Так что, даже если у нас есть что-то прямо сейчас, что мы считаем идеальным, вы знаете, потребуется по крайней мере десять лет, чтобы убедиться, что это безопасно, а также выполняет надлежащую функцию, чтобы мы могли, знаете, широко и широко использовать это у пациентов.