biotechnologia


 
 

Biomateriały

biomateriałBiomateriały są trójwymiarowymi, porowatymi i biokompatybilnymi strukturami, zwykle o charakterze polimerów, które odgrywają zarówno mechaniczną, jak i funkcjonalną rolę w stymulacji komórek macierzystych do odtwarzania tkanki. Wykorzystuje się je w inżynierii tkankowej w celu produkcji implantów mogących zastąpić organy utracone lub uszkodzone wskutek urazu, choroby nowotworowej czy genetycznej. Ich różnorodność i mnogie możliwości zastosowania – od przeszczepów skóry po bardziej skomplikowane narządy takie jak serce, sytuuje je w ścisłym centrum zainteresowania badań biomedycznych.


Czym są biomateriały?


W 1987 roku w trakcie Konferencji Europejskiego Towarzystwa Biomateriałów grupa ekspertów zdefiniowała biomateriały jako abiotyczne materiały, wykorzystywane w charakterze urządzeń medycznych, które w założeniu mają wchodzić w interakcję z systemami biologicznymi. Ta definicja odzwierciedlała ówczesny stan rzeczy, kiedy to naukowcy stawiali sobie za zadanie opracowanie powłok zmniejszających ryzyko odrzucenia mechanicznych implantów. Od tego czasu dokonał się w tej dziedzinie ogromny postęp, umożliwiający przeszczepianie narządów niemal w całości składających się z biomacierzy. Te osiągnięcia nabierają dużego znaczenia w obliczu coraz bardziej realnej wizji medycyny regeneracyjnej.

Ideałem leczenia ubytków tkanki, zarówno dla lekarza jak i pacjenta, byłoby uzupełnianie komórek za pomocą zwykłego wstrzyknięcia, jednak jest to możliwe w bardzo niewielu przypadkach (choroby hematopoetyczne, choroby naczyń, niedobory substancji, np. insuliny). Większość narządów ma swoją szczególną trójwymiarową organizację i potrzebuje stałego podłoża do uformowania narządu z komórek. Stelaż stanowiący takie podłoże nazywany jest rusztowaniem, matrycą lub sztuczną macierzą zewnątrzkomórkową. Pełni tę samą funkcję, co naturalna macierz: wspomaga proliferację, różnicowanie i biosyntezę komórek, zapobiega także napływowi komórek z sąsiednich tkanek i substancji produkowanych przez fibroblasty masowo kolonizujące ubytek (ich obecność utrudnia regenerację narządu).

Biomateriały nie tylko stanowią podporę, ale i aktywnie wspomagają regenerację tkanek. Marzeniem każdego inżyniera tkankowego jest stworzenie takiej biomacierzy, która zapewniałaby środowisko o organizacji i właściwościach mechanicznych podobnych do tych cechujących prawdziwą tkankę, udostępniając powierzchnię, do której mogą przylgnąć komórki i która jest także biokompatybilna, czyli integruje z otaczającą tkanką, wspomaga regenerację, a produkty jej degradacji nie powodują efektu toksycznego. Im dogłębniej poznajemy tajniki ECM, tym lepsze biomimetyczne materiały jesteśmy w stanie wymyśleć. Rola ECM w proliferacji, migracji i polaryzacji komórek jest przeogromna, dlatego biomateriał to komponent równie ważny co czynniki sygnalizacyjne i komórki macierzyste.


Właściwości fizyczne i chemiczne


Dobry biomateriał, który wzorowo spisze się w roli zastępczej macierzy zewnątrzkomórkowej, musi sprostać nielichym wymaganiom. Powinien przede wszystkim charakteryzować się odpowiednią porowatością, co oznacza, że w jego wnętrzu znajdą się skomunikowane ze sobą mikropory, które zostaną zasiedlone przez komórki. Jednocześnie komórki powinny mieć swobodę migracji, namnażania się i łatwy dostęp do składników odżywczych oraz możliwość odprowadzania ubocznych produktów metabolizmu. Należy pamiętać, że struktura matrycy nie może być również zbyt „gąbczasta” i musi przy tym zachować doskonałą wytrzymałość mechaniczną.

Drugą krytyczną dla regeneracji tkanki kwestią jest kinetyka absorpcyjna materiału. Dla przykładu, jeśli regeneracji ulega kość, czyli dość mozolnie odtwarzająca się tkanka, to czas degradacji macierzy powinien być relatywnie długi, aby utrzymać tkankę do momentu aż będzie kompletnie uformowana. Za to w przypadku skóry nie ma potrzeby, by matryca pozostawała w organizmie dłużej niż miesiąc. Zbędny materiał, nie mogąc ustąpić miejsca odtwarzającej się tkance, prawdopodobnie tylko zahamuje procesy regeneracyjne.


Jakie substancje mogą być wykorzystywane jako biomatryce?


Biomateriały tworzą substancje pochodzenia naturalnego, są to różnego rodzaju białka, peptydy, polisacharydy, ale i syntetycznego, jak polimery, ceramiki, metale i ich kompozyty. Przeważnie przygotowywane są w formie trójwymiarowej, ponieważ najlepiej oddaje ona architekturę naturalnej, zdrowej tkanki.

Oczywiście optymalnie tolerowane przez organizm są peptydy, tj. wszechobecny w wielu tkankach kolagen, czy fibryna – biorąca udział w tworzeniu skrzepów. Na uwagę zasługuje również produkowany przez owady jedwab, charakteryzujący się znacznie lepszą wytrzymałością mechaniczną i przedłużonym czasem trwałości.

Obok matryc peptydowych, innymi polimerami tworzącymi sztuczne, ale jednocześnie dość „przyjazne” ECM są polisacharydy. Łatwo przeprowadzić je w stan żelu, co ułatwia podanie do rany. Wśród tych najczęściej używanych polisacharydów znajdują się agaroza, alginian, hialuronian i chitosan. Alginian nie posiada żadnego wiązania ulegającego hydrolizie, a mimo to jest używany jako materiał wchłanialny. Dzieje się tak dlatego, że alginian wapnia nie rozpuszcza się w wodzie, ale w organizmie jony wapnia są stopniowo zastępowane jonami sodu. Powstający w tym procesie nowy związek doskonale rozpuszcza się w wodzie, tak więc implant przygotowany na bazie tej substancji niemal znika bez śladu.

Do produkcji biomateriałów bardzo powszechnie wykorzystywane są również polimery syntetyczne – polihydroksykwasy, zwłaszcza poliglikolid (PGA) i polimery kwasu mlekowego. Ich największą zaletą jest możliwość uzyskania powtarzalności, dzięki ściśle określonemu składowi chemicznemu. Także kontrolowania właściwości mechanicznych, kształtu oraz stopnia degradacji. Niemniej jednak często nie posiadają miejsc adhezji komórek macierzystych i wymagają z tego powodu dodatkowej modyfikacji. Nie są również biokompatybilne w równym stopniu, co macierze peptydowe, a produkty ich rozkładu mogą wywoływać odpowiedź układu odpornościowego.

PGA i jego kopolimery, tj. mleczanowo-glikolidowy (PLGA) degradują zbyt szybko, ich wytrzymałość zmniejsza się o połowę już w czasie dwóch tygodni. Z kolei zaś polimleczany (PLLA) degradują zbyt wolno – od 3 do 6 lat. Coraz częściej więc wykorzystuje się ich kompozyty, np. ϵ-kaprolaktam mleczanu, odznaczający się pośrednią trwałością około 6 miesięcy.

W bardziej wymagających zadaniach sprawdzą się ceramiki – nieorganiczne materiały o strukturze krystalicznej, porowatej i dość kruchej. Do najczęściej wykorzystywanych ceramik należą szkło bioaktywne, ortofosforan triwapnia (TCP) i hydroksyapatyt. Skład chemiczny szkła bioaktywnego sprawia, że powierzchnia materiału jest zdolna wchodzić w interakcję z żywą tkanką. Hydroksyapatyt zaś to ceramika naturalnie występująca w kościach, biokompatybilna i niezwykle wytrzymała. Często rusztowania nieorganiczne są wykorzystywane w połączeniu z polimerowymi, szczególnie jeśli chodzi o inżynierię tkankową kośćca. Te nieorganiczne substancje z uwagi na swoją kruchość, dopiero w komitywie z miękkimi polimerami dają solidny stelaż, który utrzymuje wysoką aktywność biologiczną.


Produkcja biomatryc


Istnieje wiele technik formowania rusztowań polimerów. Wśród nich możemy wymienić np. przędzenie, spiekanie, wytłaczanie. Ale tak naprawdę w procesie produkcji trójwymiarowych macierzy ważnym etapem jest utworzenie porów wewnątrz materiału przez selektywne wypłukiwanie cząsteczek, rozdział faz lub metody wykorzystujące powstawanie pęcherzyków gazu. Materiał powinien mieć także odpowiednią teksturę, ponieważ kształt implantu wpływa na fizjologiczną reakcję organizmu, w tym adhezję komórek, ich proliferację i różnicowanie. Odpowiednia powierzchnia powstaje wskutek fałdowania, splatania i cięcia. Gotowe macierze przyjmują formę pianek, gąbek, żeli oraz hydrożeli z zawartymi w nich cząsteczkami sygnalizacyjnymi i ewentualnie komórkami macierzystymi.

Żele i hydrożele są najbardziej znaczącymi biomateriałami. Pozwalają na enkapsulację komórek, np. w celu produkcji zastępczej chrząstki lub ochrony komórek przed atakiem układu immunologicznego. Wadą takich matryc jest niemożliwość kontrolowania procesu ich samoorganizowania, co utrudnia uzyskanie odpowiedniej geometrii oraz kinetyki degradacji. Sprawia to kłopot przy przewidywaniu ich trwałości.

Hydrożele produkuje się zarówno z niedegradowalnych polimerów, jak poliestry, poliamidy, jak i wchłanianych materiałów opartych na kolagenie, kwasie glikolowym, mlekowym, hialuronowym. Często też powstają półsyntetyczne pochodne.

W ciągu ostatnich dwóch dekad opracowano wiele nowoczesnych metod produkcji biomatryc, w tym elektrospinning i różne wyszukane metody prototypowe (drukowanie matryc, FDM, SLS i SLA). Szybkie metody prototypowe ułatwiają precyzyjne tworzenie porów, doskonale spełniających swoje zadanie.

Ciekawym kierunkiem rozwoju inżynierii tkankowej jest drukowanie organów, ale i drukowanie matryc. Opracowano metody drukowania matrycy, umożliwiające pozycjonowanie komórek, dzięki odpowiedniemu rozmieszczeniu kolagenu. Inną techniką “drukowania” jest bioelektrospray, wykorzystany do rozmieszczania komórek prekursorowych w spontanicznie utworzonych rusztowaniach.

Inną możliwością uzyskania biomatryc są organy, z których usunięto komórki, dzięki czemu nie zawierają one żadnych antygenów, są immunokompatybilne, np. powszechnie stosuje się je w przypadku przeszczepów skóry i woreczka żółciowego. Niestety, trudno tego dokonać dla większych i bardziej skomplikowanych narządów, takich jak serce.


Regeneracja narządu in vivo a in vitro


Tkankę można rekonstruować in vitro w bioreaktorze lub wszczepić konstrukt jako implant i pozwolić, by regeneracja zachodziła in vivo. Produkty inżynierii tkankowej powstające w bioreaktorach mogłyby być produkowane komercyjnie na większą skalę jako potencjalne implanty allogeniczne dostarczane palcówkom służby zdrowia w zależności od potrzeb, niemal na zamówienie. Terapia in vivo jest natomiast bardziej zindywidualizowaną strategią – pacjent otrzymuje przeszczep na bazie jego własnych komórek, opracowany wyłącznie z myślą o nim.

Problemem, dotyczącym szczególnie dużych narządów, jest ciągle kwestia ukrwienia implantu. W warunkach in vitro trudniej zaindukować proces neowaskularyzacji, ponieważ składniki odżywcze są podawane w sposób sztuczny i często mają ograniczone możliwości dyfuzji. Większe szanse na utworzenie nowych naczyń mają transplanty regenerujące się w organizmie pacjenta, gdyż komórki napływające z ciała same zasiedlają macierz.


Podsumowanie


Biomateriały stanowią grupę naturalnych i syntetycznych substancji, wykorzystywanych do tworzenia polimerycznych trójwymiarowych rusztowań, mających za zadanie wspomaganie różnicowania i proliferacji komórek macierzystych, a w efekcie regeneracji uszkodzonej tkanki. Sukcesywnie unowocześniane metody ich otrzymywania i modyfikacji przyspieszają badania, kończące się uzyskaniem funkcjonalnych narządów do przeszczepu, które mogą pokryć ogromne zapotrzebowanie na organy zastępcze i dać nadzieję na normalne życie pacjentom od lat czekającym na przeszczep.


Autor: Martyna Franczuk


Literatura:
1. Ikada Y., 2006. Challenges in tissue engineering. Journal of the Royal Society, 3: 589-601.
2. Rustad K.C., Sorkin M., Levi B., Longaker M.T., Gurtner G.C., 2010. Strategies for organ level tissue engineering. Organogenesis, 6: 151-157.
3. Tabata Y., 2009. Biomaterial technology for tissue engineering applications. Journal of the Royal Society, 6: S311-S324.
4. Willerth S.M., Sakiyama-Elbert S. E., 2008. Combining stem cells and biomaterial scaffolds for constructing tissues and cell delivery. Stembook.org: 1-18.
5. Zippel N., Schulze M., Tobias

Komentarze

Widok Uszereguj
Tylko zarejestrowani mogą dodawać komentarze. Zarejestruj się/Zaloguj

Podręcznik biotechnologii

Kto jest online

155 gości oraz 0 użytkowników online.

Jesteś niezarejestrowanym lub niezalogowanym użytkownikiem.


 

Facebook

Gadżety

Sklep e-biotechnologia.pl
Tematyczne kubki, koszulki, bluzy etc.


Zapraszamy do sklepu

Na skróty

Ministerstwo Nauki i Szkolnictwa Wyższego Narodowe Centrum Nauki Narodowe Centrum Badań i Rozwoju Ośrodek Przetwarzania Informacji PAP - Nauka w Polsce Forum Akademickie Fundacja na rzecz Nauki Polskiej Wirtualna Biblioteka Nauki Scopus NCBI PubMed Nature Science Cell

 
 
Partnerzy:

laboratoria.net Nauka w Polsce Academio Fundacja NanoNet BioCen - BioCentrum Edukacji Naukowej Notatek.pl cebioforum.com materialyinzynierskie.pl Wspieram.to - POLSKI KICKSTARTER - Polska platforma finansowania społecznoœciowego.Tu zrealizujš się Twoje pomysły. VitaInSilica Portal popularnonaukowy

Portal: Redakcja . Współpraca . Kontakt . Polecamy



Wszystkie prawa zastrzeżone 2006-2016 e-biotechnologia.pl
stat4u