Sposobnost človeškega telesa, da obnavlja tkiva in organe, je izjemno neučinkovita in izguba človeškega tkiva in organov se lahko zgodi zlahka zaradi stvari, kot so prirojene okvare, bolezni in nenadne travme. Ko tkivo odmre (imenovano nekroza), ga ni mogoče oživiti - če ga ne odstranimo ali popravimo, lahko vpliva na druga področja telesa, kot so okoliško tkivo, organi, kosti in koža.
Tu je koristno tkivno inženirstvo. Z uporabo biomateriala (snovi, ki je v interakciji s telesnimi biološkimi sistemi, kot so celice in aktivne molekule) lahko ustvarimo funkcionalna tkiva, ki pomagajo obnoviti, popraviti ali nadomestiti poškodovano človeško tkivo in organe.
Cavan Images / Getty ImagesKratka zgodovina
Tkivno inženirstvo je razmeroma novo področje medicine, raziskave pa se začnejo šele v osemdesetih letih. Ameriški bioinženir in znanstvenik Yuan-Cheng Fung je Nacionalni znanstveni fundaciji (NSF) predložil predlog za raziskovalno središče, namenjeno živim tkivom. Fung je sprejel koncept človeškega tkiva in ga razširil, da se uporablja za kateri koli živi organizem med celicami in organi.
Na podlagi tega predloga je NSF označil izraz "tkivno inženirstvo", da bi oblikoval novo področje znanstvenih raziskav. To je privedlo do ustanovitve Društva za tkivno inženirstvo (TES), ki je kasneje postalo Mednarodno društvo za tkivno inženirstvo in regenerativno medicino (TERMIS).
TERMIS spodbuja izobraževanje in raziskave na področju tkivnega inženirstva in regenerativne medicine. Regenerativna medicina se nanaša na širše področje, ki se osredotoča tako na tkivni inženiring kot tudi na sposobnost človeškega telesa, da se samozdravlja, da tkivu, organom in človeškim celicam povrne normalno funkcijo.
Namen tkivnega inženiringa
Tkivno inženirstvo ima nekaj glavnih funkcij v medicini in raziskavah: pomoč pri popravilu tkiva ali organov, vključno s popravilom kosti (poapnelo tkivo), hrustančnega tkiva, srčnega tkiva, tkiva trebušne slinavke in žilnega tkiva. Na tem področju se izvajajo tudi raziskave vedenja izvornih celic. Matične celice se lahko razvijejo v veliko različnih vrst celic in lahko pomagajo popraviti področja telesa.
Področje tkivnega inženirstva omogoča raziskovalcem, da ustvarijo modele za preučevanje različnih bolezni, kot so rak in bolezni srca.
3D narava tkivnega inženiringa omogoča preučevanje tumorske arhitekture v natančnejšem okolju. Tudi tkivno inženirstvo zagotavlja okolje za testiranje morebitnih novih zdravil na te bolezni.
Kako deluje
Proces tkivnega inženirstva je zapleten. Vključuje oblikovanje 3D funkcionalnega tkiva, ki pomaga popraviti, nadomestiti in obnoviti tkivo ali organ v telesu. Da bi to naredili, celice in biomolekule kombiniramo z odri.
Odri so umetne ali naravne strukture, ki posnemajo resnične organe (na primer ledvice ali jetra). Na teh odrih tkivo raste, da posnema biološki proces ali strukturo, ki jo je treba zamenjati. Ko so ti zgrajeni skupaj, je novo tkivo zasnovano tako, da ponovi stanje starega tkiva, ko ni bilo poškodovano ali obolelo.
Odri, celice in biomolekule
Odri, ki jih običajno ustvarjajo celice v telesu, so lahko zgrajeni iz virov, kot so beljakovine v telesu, umetna umetna masa ali iz obstoječega odra, na primer iz organa darovalca. V primeru darovalnega organa bi oder kombinirali s pacientovimi celicami, da bi naredili prilagodljive organe ali tkiva, ki bi jih pacientov imunski sistem dejansko verjetno zavrnil.
Ne glede na to, kako je oblikovan, je ta gradbeni oder tisti, ki celicam pošilja sporočila, ki pomagajo pri podpori in optimizaciji celičnih funkcij v telesu.
Izbiranje pravih celic je pomemben del tkivnega inženirstva. Obstajata dve glavni vrsti matičnih celic.
Dve glavni vrsti matičnih celic
- Embrionalne matične celice: izvirajo iz zarodkov, običajno iz jajčec, ki so bila oplojena in vitro (zunaj telesa).
- Matične celice za odrasle: najdemo jih v telesu med običajnimi celicami - lahko se pomnožijo s celično delitvijo, da napolnijo umirajoče celice in tkiva.
Trenutno se veliko raziskuje tudi na pluripotentnih matičnih celicah (odrasle matične celice, ki se spodbudijo, da se obnašajo kot zarodne izvorne celice). V teoriji obstaja neomejena zaloga pluripotentnih matičnih celic, njihova uporaba pa ne vključuje vprašanja uničenja človeških zarodkov (kar povzroča tudi etični problem). Pravzaprav so raziskovalci, nagrajeni z Nobelovo nagrado, objavili svoje ugotovitve o pluripotentnih izvornih celicah in njihovi uporabi.
Na splošno biomolekule vključujejo štiri glavne razrede (čeprav obstajajo tudi sekundarni razredi): ogljikovi hidrati, lipidi, beljakovine in nukleinske kisline. Te biomolekule pomagajo sestaviti celično strukturo in delovanje. Ogljikovi hidrati pomagajo organom, kot so možgani in srce, ter delujejo kot prebavni in imunski sistem.
Beljakovine zagotavljajo protitelesa proti klicam, pa tudi strukturno podporo in gibanje telesa. Nukleinske kisline vsebujejo DNA in RNA, ki celicam dajejo genetske informacije.
Medicinska uporaba
Inženirstvo tkiv se ne uporablja pogosto za nego ali zdravljenje pacientov. V nekaj primerih so pri pacientih uporabili tkivni inženiring pri presaditvah kože, obnovi hrustanca, majhnih arterij in mehurjev. Vendar pa pri bolnikih še niso uporabljali tkivno izdelanih večjih organov, kot so srce, pljuča in jetra (čeprav so bili ustvarjeni v laboratorijih).
Poleg dejavnika tveganja uporabe tkivnega inženiringa pri pacientih so postopki izjemno dragi. Čeprav je tkivno inženirstvo koristno pri medicinskih raziskavah, zlasti pri testiranju novih formulacij zdravil.
Uporaba živega, delujočega tkiva v okolju zunaj telesa pomaga raziskovalcem, da pridobijo osebno medicino.
Prilagojena medicina pomaga ugotoviti, ali nekatera zdravila pri nekaterih bolnikih delujejo bolje glede na njihovo genetsko sestavo, pa tudi zmanjšuje stroške razvoja in testiranja na živalih.
Primeri tkivnega inženirstva
Nedavni primer tkivnega inženirstva, ki ga je izvedel Nacionalni inštitut za biomedicinsko slikanje in bioinženiring, vključuje inženiring človeškega jetrnega tkiva, ki ga nato vsadijo v miško. Ker miš uporablja lastna jetra, človeško jetrno tkivo presnavlja zdravila in posnema, kako bi se ljudje odzvali na nekatera zdravila znotraj miši. To raziskovalcem pomaga ugotoviti, kakšne so možne interakcije zdravil z določenimi zdravili.
Da bi razvili tkivo z vgrajeno mrežo, raziskovalci preizkušajo tiskalnik, ki bi iz raztopine sladkorja naredil vaskularno mrežo. Raztopina bi nastala in se strdila v inženirskem tkivu, dokler se v postopek ne doda kri, ki potuje po umetnih kanalih.
Nazadnje je še en projekt Inštituta regeneracija bolnikovih ledvic z uporabo pacientovih lastnih celic. Raziskovalci so uporabili celice iz organov darovalcev za kombiniranje z biomolekulami in kolageni oder (iz organa darovalca) za rast novega ledvičnega tkiva.
Nato je bilo tkivo tega organa testirano za delovanje (na primer absorpcijo hranilnih snovi in pridobivanje urina) tako zunaj kot tudi znotraj podgan. Napredek na tem področju tkivnega inženirstva (ki lahko deluje podobno tudi za organe, kot so srce, jetra in pljuča) bi lahko pomagal pri pomanjkanju darovalcev in zmanjšal morebitne bolezni, povezane z imunosupresijo pri bolnikih s presaditvijo organov.
Kako se nanaša na raka
Rast metastatskega tumorja je eden od razlogov, da je rak glavni vzrok smrti. Pred tkivnim inženiringom je bilo tumorsko okolje mogoče ustvariti samo zunaj telesa v 2D obliki. Zdaj 3D okolja, pa tudi razvoj in uporaba nekaterih biomaterialov (na primer kolagena), omogočajo raziskovalcem, da pogledajo tumorsko okolje do mikrookolja nekaterih celic in ugotovijo, kaj se zgodi z boleznijo, ko se spremenijo nekatere kemične sestave v celicah .
Na ta način tkivno inženirstvo pomaga raziskovalcem razumeti napredovanje raka in tudi vplive nekaterih terapevtskih pristopov na bolnike z isto vrsto raka.
Medtem ko je bil napredek preučen pri raku s pomočjo tkivnega inženiringa, lahko rast tumorja pogosto povzroči nastanek novih krvnih žil. To pomeni, da lahko tudi z napredkom, ki ga je tkivno inženirstvo doseglo z raziskavami raka, obstajajo omejitve, ki jih je mogoče odpraviti le z vsaditvijo inženirskega tkiva v živi organizem.
Z rakom pa lahko tkivno inženirstvo pomaga ugotoviti, kako nastajajo ti tumorji, kako bi morale izgledati normalne interakcije celic, pa tudi kako rakaste celice rastejo in metastazirajo. To pomaga raziskovalcem pri testiranju zdravil, ki bodo vplivala samo na rakave celice, v nasprotju s celim organom ali telesom.
