Pregled inženjerstva tkiva

Sposobnost ljudskog tijela da regenerira tkiva i organe izuzetno je neučinkovita, a gubitak ljudskog tkiva i organa može se lako dogoditi zbog stvari poput urođenih oštećenja, bolesti i iznenadnih trauma. Kad tkivo ugine (nazvano nekroza), ne može se oživjeti - ako se ne ukloni ili popravi, to može utjecati na druga područja tijela, poput okolnog tkiva, organa, kostiju i kože.

Ovdje je korisno inženjerstvo tkiva. Korištenjem biomaterijala (tvari koja komunicira s tjelesnim biološkim sustavima poput stanica i aktivnih molekula) mogu se stvoriti funkcionalna tkiva koja pomažu u obnavljanju, popravljanju ili zamjeni oštećenog ljudskog tkiva i organa.

Kratka povijest

Inženjerstvo tkiva relativno je novo područje medicine, a istraživanja su započela tek 1980-ih. Američki bioinženjer i znanstvenik pod imenom Yuan-Cheng Fung podnio je Nacionalnoj zakladi za znanost (NSF) prijedlog za istraživački centar koji bi bio posvećen živim tkivima. Fung je uzeo koncept ljudskog tkiva i proširio ga tako da se odnosi na bilo koji živi organizam između stanica i organa.

Na temelju ovog prijedloga, NSF je označio pojam "tkivni inženjering" u nastojanju da formira novo područje znanstvenog istraživanja. To je dovelo do formiranja Tissue Engineering Society (TES), koje je kasnije postalo Tissue Engineering and Regenerative Medicine International Society (TERMIS).

TERMIS promiče edukaciju i istraživanje na polju tkivnog inženjerstva i regenerativne medicine. Regenerativna medicina odnosi se na šire područje koje se usredotočuje kako na tkivno inženjerstvo, tako i na sposobnost ljudskog tijela da se samoizliječi kako bi vratilo normalnu funkciju tkivu, organima i ljudskim stanicama.

Svrha inženjerstva tkiva

Inženjerstvo tkiva ima nekoliko glavnih funkcija u medicini i istraživanjima: pomaganje u popravljanju tkiva ili organa, uključujući popravak kostiju (kalcificirano tkivo), tkivo hrskavice, srčano tkivo, tkivo gušterače i vaskularno tkivo. Područje također provodi istraživanje ponašanja matičnih stanica. Matične stanice mogu se razviti u mnogo različitih vrsta stanica i mogu pomoći u popravljanju dijelova tijela.

Područje tkivnog inženjerstva omogućuje istraživačima stvaranje modela za proučavanje različitih bolesti, poput raka i bolesti srca.

3D priroda tkivnog inženjerstva omogućuje proučavanje arhitekture tumora u preciznijem okruženju. Inženjering tkiva također pruža okruženje za testiranje potencijalnih novih lijekova na ove bolesti.

Kako radi

Proces inženjeringa tkiva složen je. Uključuje formiranje 3D funkcionalnog tkiva koje će pomoći popraviti, zamijeniti i obnoviti tkivo ili organ u tijelu. Da bi se to učinilo, stanice i biomolekule kombiniraju se sa skelama.

Skele su umjetne ili prirodne strukture koje oponašaju stvarne organe (poput bubrega ili jetre). Na tim skelama tkivo raste kako bi oponašalo biološki proces ili strukturu koju treba zamijeniti. Kada se oni zajedno grade, novo tkivo se projektira tako da replicira stanje starog tkiva kada nije bilo oštećeno ili bolesno.

Skele, stanice i biomolekule

Skele, koje obično stvaraju stanice u tijelu, mogu se graditi od izvora kao što su proteini u tijelu, umjetna plastika ili od postojeće skele, poput one iz donatorskog organa. U slučaju organa davatelja, skela bi se kombinirala sa stanicama pacijenta kako bi se napravili prilagodljivi organi ili tkiva koja će pacijentov imunološki sustav zapravo odbiti.

Bez obzira na to kako je formirana, ova struktura skele šalje stanice stanicama koje pomažu u podršci i optimizaciji funkcija stanica u tijelu.

Branje pravih stanica važan je dio tkivnog inženjerstva. Dvije su glavne vrste matičnih stanica.

Dvije glavne vrste matičnih stanica

• Matične stanice embriona: potječu od embrija, obično u jajima koja su oplođena in vitro (izvan tijela).
• Matične stanice odraslih: nalaze se u tijelu među pravilnim stanicama - mogu se umnožiti dijeljenjem stanica kako bi nadoknadile umiruće stanice i tkivo.

Trenutno se provodi puno istraživanja i na pluripotentnim matičnim stanicama (odrasle matične stanice koje su potaknute da se ponašaju poput embrionalnih matičnih stanica). U teoriji postoji neograničena opskrba pluripotentnim matičnim stanicama, a njihova uporaba ne uključuje pitanje uništavanja ljudskih embrija (što također uzrokuje etički problem). Zapravo, istraživači nagrađeni Nobelovom nagradom objavili su svoja otkrića o pluripotentnim matičnim stanicama i njihovoj uporabi.

Sveukupno, biomolekule uključuju četiri glavne klase (iako postoje i sekundarne klase): ugljikohidrati, lipidi, proteini i nukleinske kiseline. Te biomolekule pomažu u izgradnji stanične strukture i funkcije. Ugljikohidrati pomažu organima poput mozga i srca, kao i sustavima koji funkcioniraju poput probavnog i imunološkog sustava.

Proteini pružaju antitijela protiv klica, kao i strukturnu potporu i kretanje tijela. Nukleinske kiseline sadrže DNA i RNA, dajući genetske informacije stanicama.

Medicinska upotreba

Inženjerstvo tkiva se ne koristi široko za njegu ili liječenje pacijenta. Bilo je nekoliko slučajeva koji su koristili tkivni inženjering u presadnicama kože, popravljanju hrskavice, malim arterijama i mjehurima kod pacijenata. Međutim, tkivo inženjerirani veći organi poput srca, pluća i jetre još se nisu koristili u bolesnika (iako su stvoreni u laboratorijima).

Osim faktora rizika korištenja tkivnog inženjeringa kod pacijenata, postupci su izuzetno skupi. Iako je tkivno inženjerstvo korisno kada je riječ o medicinskim istraživanjima, posebno pri ispitivanju novih formulacija lijekova.

Korištenje živog, funkcionalnog tkiva u okruženju izvan tijela pomaže istraživačima da postignu dobitak u personaliziranoj medicini.

Prilagođena medicina pomaže utvrditi djeluju li neki lijekovi bolje za određene pacijente na temelju njihove genetske građe, kao i smanjuje troškove razvoja i ispitivanja na životinjama.

Primjeri inženjerstva tkiva

Nedavni primjer inženjerstva tkiva koji je proveo Nacionalni institut za biomedicinsko slikanje i bioinženjering uključuje inženjerstvo ljudskog tkiva jetre koje se potom ugradi u miša. Budući da miš koristi vlastitu jetru, tkivo ljudske jetre metabolizira lijekove oponašajući kako će ljudi reagirati na određene lijekove unutar miša. To pomaže istraživačima da vide kakve moguće interakcije lijekova mogu postojati s određenim lijekovima.

Nastojeći stvoriti tkivo s ugrađenom mrežom, istraživači ispituju pisač koji bi od otopine šećera stvorio vaskularnu mrežu. Otopina bi se stvorila i stvrdnula u konstruiranom tkivu sve dok se u proces ne doda krv putujući kroz umjetne kanale.

Napokon, regeneracija bubrega pacijenta pomoću vlastitih stanica pacijenta je još jedan projekt Instituta. Istraživači su koristili stanice iz donatorskih organa da bi se kombinirali s biomolekulama i kolagenom skelom (iz donatorskog organa) za rast novog bubrežnog tkiva.

Tada je tkivo ovog organa testirano na funkcioniranje (poput apsorpcije hranjivih tvari i stvaranja mokraće) kako izvan, tako i unutar štakora. Napredak u ovom području tkivnog inženjeringa (koji također može slično djelovati na organe poput srca, jetre i pluća) mogao bi pomoći u nedostatku donora, kao i smanjiti sve bolesti povezane s imunosupresijom kod pacijenata s presađenim organima.

Kako se odnosi na rak

Rast metastatskog tumora jedan je od razloga što je rak vodeći uzrok smrti. Prije inženjeringa tkiva, tumorska su se okruženja mogla stvarati samo izvan tijela u 2D obliku. Sada 3D okruženja, kao i razvoj i upotreba određenih biomaterijala (poput kolagena), omogućuju istraživačima da promatraju okoliš tumora do mikrookruženja određenih stanica kako bi vidjeli što se događa s bolešću kada se promijene određeni kemijski sastavi u stanicama .

Na taj način, tkivno inženjerstvo pomaže istraživačima da razumiju i napredovanje raka, kao i učinke određenih terapijskih pristupa na pacijente s istom vrstom karcinoma.

Iako je napredak postignut u proučavanju raka putem tkivnog inženjeringa, rast tumora često može uzrokovati stvaranje novih krvnih žila. To znači da čak i uz napredak koji je tkivno inženjerstvo postiglo istraživanjem raka, mogu postojati ograničenja koja se mogu eliminirati samo ugrađivanjem inženjeriranog tkiva u živi organizam.

S rakom, međutim, tkivno inženjerstvo može pomoći utvrditi kako nastaju ti tumori, kako bi trebale izgledati normalne interakcije stanica, kao i kako stanice karcinoma rastu i metastaziraju. To pomaže istraživačima da testiraju lijekove koji će utjecati samo na stanice raka, za razliku od cijelog organa ili tijela.