Здатність людського організму регенерувати тканини та органи надзвичайно неефективна, і втрата людської тканини та органів може легко трапитися через такі речі, як вроджені дефекти, хвороби та раптові травми. Коли тканина відмирає (так званий некроз), її неможливо повернути до життя - якщо її не видалити або відновити, це може вплинути на інші ділянки тіла, такі як навколишні тканини, органи, кістки та шкіру.
Тут корисна інженерія тканин. Використовуючи біоматеріал (речовина, яка взаємодіє з біологічними системами організму, такими як клітини та активні молекули), можна створити функціональні тканини, які допоможуть відновити, відновити або замінити пошкоджені тканини та органи людини.
Cavan Images / Getty ImagesКоротка історія
Тканинна техніка є відносно новою галуззю медицини, дослідження проводяться лише у 1980-х роках. Американський біоінженер та вчений на ім'я Юань-Ченг Фунг подав пропозицію до Національного наукового фонду (NSF) щодо створення дослідницького центру, присвяченого живим тканинам. Фунг взяв поняття людської тканини і розширив його, застосовуючи до будь-якого живого організму між клітинами та органами.
На основі цієї пропозиції NSF позначив термін «тканинна інженерія», намагаючись сформувати нову галузь наукових досліджень. Це призвело до утворення Товариства тканинної інженерії (TES), яке згодом стало Міжнародним товариством тканинної інженерії та регенеративної медицини (TERMIS).
TERMIS сприяє як навчанню, так і дослідженням у галузі тканинної інженерії та регенеративної медицини. Регенеративна медицина відноситься до більш широкої галузі, яка зосереджена як на тканинній інженерії, так і на здатності людського організму самовилікуватися, щоб відновити нормальну функцію тканин, органів та клітин людини.
Призначення тканинної інженерії
Тканинна техніка має кілька основних функцій у медицині та дослідженнях: допомога у відновленні тканин або органів, включаючи відновлення кісток (кальцинована тканина), хрящової тканини, серцевої тканини, тканини підшлункової залози та судинної тканини. Поле також проводить дослідження поведінки стовбурових клітин. Стовбурові клітини можуть перерости в багато різних типів клітин і можуть допомогти відновити ділянки тіла.
Область тканинної інженерії дозволяє дослідникам створювати моделі для вивчення різних захворювань, таких як рак та хвороби серця.
3D природа тканинної інженерії дозволяє вивчати архітектуру пухлини в більш точних умовах. Тканинна інженерія також забезпечує середовище для тестування потенційних нових препаратів на ці захворювання.
Як це працює
Процес тканинної інженерії є складним. Він передбачає формування тривимірної функціональної тканини, яка допоможе відновити, замінити та регенерувати тканину або орган у тілі. Для цього клітини та біомолекули поєднуються з лісами.
Ліси - це штучні або природні споруди, що імітують справжні органи (наприклад, нирку або печінку). Тканина розростається на цих лісах, щоб імітувати біологічний процес або структуру, що потребує заміни. Коли вони побудовані разом, нова тканина розробляється, щоб повторити стан старої тканини, коли вона не була пошкоджена або хвора.
Ліси, клітини та біомолекули
Ліси, які зазвичай створюються клітинами в організмі, можуть бути побудовані з таких джерел, як білки в організмі, штучна пластмаса, або з існуючих лісів, таких як донорський орган. У випадку з донорським органом, ешафот поєднується з клітинами пацієнта, щоб зробити настроювані органи або тканини, які насправді можуть бути відхилені імунною системою пацієнта.
Незалежно від того, як вона сформована, саме ця риштована структура надсилає повідомлення клітинам, які допомагають підтримувати та оптимізувати функції клітин в організмі.
Вибір правильних клітин є важливою частиною тканинної інженерії. Існує два основних типи стовбурових клітин.
Два основних типи стовбурових клітин
- Ембріональні стовбурові клітини: походять від ембріонів, як правило, з яєць, які були запліднені in vitro (поза тілом).
- Стовбурові клітини дорослих: знаходяться в організмі серед звичайних клітин - вони можуть розмножуватися шляхом поділу клітин, щоб поповнити відмираючі клітини та тканини.
В даний час проводиться багато досліджень і щодо плюрипотентних стовбурових клітин (дорослих стовбурових клітин, які спонукаються поводитися як ембріональні стовбурові клітини). Теоретично існує необмежена кількість плюрипотентних стовбурових клітин, і їх використання не пов’язане з проблемою знищення людських ембріонів (що також викликає етичні проблеми). Насправді, лауреати Нобелівської премії оприлюднили свої висновки щодо плюрипотентних стовбурових клітин та їх використання.
Загалом біомолекули включають чотири основні класи (хоча існують і вторинні класи): вуглеводи, ліпіди, білки та нуклеїнові кислоти. Ці біомолекули допомагають скласти клітинну структуру та функції. Вуглеводи допомагають таким органам, як мозок і серце, а також таким системам, як травна та імунна системи.
Білки забезпечують антитіла проти мікробів, а також структурну підтримку та рух тіла. Нуклеїнові кислоти містять ДНК і РНК, даючи генетичну інформацію клітинам.
Медичне використання
Тканинна інженерія широко не використовується для догляду або лікування пацієнтів. Було кілька випадків, коли у пацієнтів застосовували тканинну інженерію для трансплантації шкіри, відновлення хряща, дрібних артерій та сечового міхура. Однак більші органи, такі як серце, легені та печінка, ще не використовувались у пацієнтів (хоча вони були створені в лабораторіях).
Окрім фактора ризику використання тканинної інженерії у пацієнтів, процедури є надзвичайно дорогими. Хоча тканинна інженерія корисна, коли справа стосується медичних досліджень, особливо при випробуванні нових лікарських препаратів.
Використання живих, функціонуючих тканин у зовнішньому середовищі тіла допомагає дослідникам досягти успіху в персоналізованій медицині.
Персоналізована медицина допомагає визначити, чи працюють деякі ліки краще для певних пацієнтів на основі їх генетичного складу, а також зменшує витрати на розробку та тестування на тваринах.
Приклади тканинної інженерії
Нещодавній приклад тканинної інженерії, проведений Національним інститутом біомедичної візуалізації та біоінженерії, включає розробку тканини печінки людини, яка потім імплантується миші. Оскільки миша використовує власну печінку, тканини печінки людини метаболізують наркотики, імітуючи реакцію людини на певні ліки всередині миші. Це допомагає дослідникам зрозуміти, які можливі взаємодії ліків із певними ліками.
Намагаючись створити тканину із вбудованою мережею, дослідники випробовують принтер, який зробить судинну мережу з розчину цукру. Розчин утворюється і затвердіє в сконструйованій тканині, поки кров не додасться в процес, рухаючись по техногенних каналах.
Нарешті, регенерація нирок пацієнта за допомогою власних клітин пацієнта - ще один проект Інституту. Дослідники використовували клітини донорських органів для комбінування з біомолекулами та колагеновим каркасом (з донорського органу) для вирощування нової ниркової тканини.
Потім тканину цього органу перевіряли на функціонування (наприклад, поглинання поживних речовин та вироблення сечі) як зовні, так і всередині щурів. Прогрес у цій галузі тканинної інженерії (яка також може працювати аналогічно для таких органів, як серце, печінка та легені) може допомогти при дефіциті донорів, а також зменшити будь-які захворювання, пов'язані з імунодепресією у пацієнтів з трансплантацією органів.
Як це пов’язано з раком
Метастатичний ріст пухлини є однією з причин того, що рак є основною причиною смерті. До тканинної інженерії пухлинні середовища могли створюватись лише поза тілом у 2D-формі. Тепер 3D-середовища, а також розробка та використання певних біоматеріалів (наприклад, колагену) дозволяють дослідникам розглядати середовище пухлини аж до мікросередовища певних клітин, щоб побачити, що відбувається з хворобою при зміні певного хімічного складу в клітинах .
Таким чином, тканинна інженерія допомагає дослідникам зрозуміти як прогресування раку, так і те, як можуть впливати певні терапевтичні підходи на пацієнтів із тим самим типом раку.
Хоча було досягнуто успіху у вивченні раку за допомогою тканинної інженерії, зростання пухлини часто може спричинити утворення нових судин. Це означає, що навіть з досягненнями тканинної інженерії, зробленими дослідженнями раку, можуть існувати обмеження, які можна усунути лише імплантацією спроектованої тканини в живий організм.
Однак при раку тканинна інженерія може допомогти встановити, як утворюються ці пухлини, як повинні виглядати нормальні клітинні взаємодії, а також як ракові клітини ростуть і метастазують. Це допомагає дослідникам тестувати препарати, які впливатимуть лише на ракові клітини, на відміну від цілого органу чи тіла.
