biotechnologia


 
 

Inżynieria tkankowa

Rosnące zapotrzebowanie na organy do przeszczepu, a także zagrożenia wynikające z transplantacji (odrzucenie przeszczepu, infekcje) spowodowało rozwój nowoczesnej dziedziny pozwalającej na otrzymanie nowych narządów „ w próbówce”. Równolegle opracowywane i ulepszane protezy niestety nigdy nie zastąpią funkcjonalnej tkanki, ponieważ nie integrują się z organizmem i mogą wywołać odpowiedź zapalną. Dzięki połączeniu bioinżynierii i inżynierii materiałowej już niedługo możliwe będzie osiągnięcie złotego środka – przeszczepiania pacjentom narządów uzyskanych z ich własnych komórek macierzystych. W czasie ostatnich dwóch dekad naukowcy pracowali nad zamiennikami niemal każdego organu!


Czym jest inżynieria tkankowa?


Termin inżynieria tkankowa narodził się w 1988 roku w trakcie spotkania amerykańskiej Narodowej Fundacji Nauki. W rozumieniu uczestników obejmował „zastosowanie podstaw i metod inżynierii oraz nauk biologicznych w celu zrozumienia zależności między strukturą a funkcją w prawidłowej, a także patologicznej tkance ssaczej oraz opracowanie biologicznych substytutów umożliwiających naprawę lub regenerację tkanki albo organu, a w efekcie – odzyskanie ich funkcjonalności”. W 1993 Langer i Vacanti podsumowali pierwsze dokonania na tym polu i zdefiniowali inżynierię tkankową jako „interdyscyplinarną dziedzinę, wykorzystującą podstawy inżynierii i nauk biologicznych w celu pozyskania biologicznych zamienników, które przywracają, utrzymują lub poprawiają funkcjonowanie organu.”

W latach dziewięćdziesiątych nastąpił gwałtowny rozwój badań zmierzających w kierunku opracowania alternatywy dla transplantacji praktycznie każdego narządu. Produkty inżynierii tkankowej, takie jak sztuczna skóra z żywymi komórkami i unieczynnionymi po procesie produkcji macierzy (odpowiednio Apligraf z Organogenesis i TranCyte z Advanced Tissue Sciences) oraz chondrocyty wyhodowane z własnych komórek pacjenta (Carticel z Genzyme Tissue Repairs) trafiły wówczas na rynek.

Strategie wykorzystywane przez inżynierów tkankowych generalnie można sklasyfikować w dwie grupy, mianowicie z wykorzystaniem biokompatybilnych matryc lub poprzez terapię komórkową albo stymulację naturalnej regeneracji tkanki przez podanie cząsteczek sygnalizacyjnych. Z kolei w przypadku matryc są to przeważnie materiały zawierające komórki, ale mogą być to równie dobrze matryce pozbawione komórek, które wspomagają naturalną zdolność komórek organizmu do regeneracji. Uzyskuje się je zwykle poprzez chemiczne usunięcie komórek z narządu, syntezę z naturalnych lub syntetycznych polimerów. W większości degradują stopniowo w miejscu przeszczepu, zastępowane przez elementy macierzy zewnątrzkomórkowej produkowane przez napływające komórki.


Komórki macierzyste, biomateriały i cząsteczki sygnalizacyjne


Funkcjonalność tkanek można rozpatrywać w kategoriach strukturalnych (kość) lub metabolicznych (trzustka), albo jednych i drugich. Niezależnie od zadania, kluczową rolę funkcjonalną odgrywają komórki, dlatego to one są przede wszystkim potrzebne do regeneracji tkanki. Dzięki proliferacji komórek macierzystych – o nieograniczonych praktycznie możliwościach samoodnawiania i różnicowania, ich interakcji z innymi komórkami organizmu, produkcji aktywnych biologicznie cząsteczek i składników macierzy zewnątrzkomórkowej, śmiało można powiedzieć, że stanowią podstawową „siłę napędową” procesu regeneracji.

Komórki mogą stanowić część przeszczepu lub być rekrutowane in vivo z wnętrza organizmu przy udziale biomateriałów zawierających aktywne biologicznie cząsteczki. W czasie namnażania komórek niezwykle ważne jest, aby nie zmieniły swojego fenotypu i nie zostały zakażone patogenem. Czasami wykorzystuje się komórki poddane manipulacji genetycznej – wtedy dodatkową troską staje się stabilność modyfikacji.

Postęp wiedzy dotyczącej komórek macierzystych otworzył nowe możliwości otrzymywania nieograniczonych źródeł komórek. Aby prawidłowo się różnicować, wymagają one jednak ścisłej regulacji w czasie i przestrzeni. Ważnym aspektem tworzenia mikrośrodowiska takich komórek są cząsteczki sygnalizacyjne, w tym czynniki wzrostu i hormony. W przypadku przeszczepów ksenogenicznych pracuje się nad zmianą biologii komórki tak, by nie powodowały reakcji immunologicznej gospodarza, a można to uzyskać np. usuwanie charakterystycznych reszt cukrowych na powierzchni komórek.

Bardzo ważnym czynnikiem jest również sama biomatryca. Od jej składu, architektury i możliwości resorpcji zależy biokompatybilność materiału. Biomateriały muszą charakteryzować się nie tylko odpowiednią wytrzymałością mechaniczną i organizacją, ale także porowatością, pozwalającą na przyleganie komórek, swobodny przepływ aktywnych biologicznie molekuł i tworzenie naczyń krwionośnych, zaopatrujących nowo powstającą tkankę w tlen i odprowadzającą uboczne produkty przemiany materii. Jednocześnie materiał powinien być na tyle wytrzymały, by nie degradować przedwcześnie oraz by zarówno w stanie pierwotnym, jak i poprzez produkty rozkładu nie powodować zapalenia, mogącego prowadzić do odrzucenia implantu i nekrozy tkanki.

Przeszczep można określić jako heterologiczny (ksenogeniczny) - w przypadku, kiedy komórki pochodzą od zwierzęcia, alogeniczny – gdy dawcą jest inna osoba lub idealnie, gdy dawcą komórek jest sam pacjent - autologiczny, bo wiąże się to z najmniejszymi komplikacjami, zmniejsza ryzyko odrzucenia przeszczepu i konieczność stosowania immunosupresantów.

Komórki uzyskuje się z eksplantatu tkanki pacjenta. Rozdziela się go na pojedyncze komórki i albo podaje od razu albo najpierw namnaża w kulturach komórkowych, następnie umiejscawia w matrycy i dopiero przeszczepia pacjentowi.

Początkowo ogromną przeszkodą dla inżynierii tkankowej był problem z otrzymaniem ilości komórek, która efektywnie mogłaby zregenerować cały narząd. W ciągu lat praktyki z kulturami komórkowymi udało się na szczęście opracować bardzo skuteczne metody namnażania komórek. Na przykład populacja komórek nabłonkowych pęcherza zajmująca początkowo 1 cm2 naczynia hodowlanego w ciągu 8 tygodni może wytworzyć tyle komórek, że zajęłyby powierzchnię pola golfowego!

Przed przeszczepem komórki są umieszczane w porowatej matrycy zastępującej macierz zewnątrzkomórkową. Biomateriał musi przypominać właściwościami biologicznymi i fizycznymi naturalne rusztowanie. Matryce stanowią nie tylko trójwymiarową podporę umożliwiającą komórkom odpowiednią organizację i funkcjonowanie, ale także ułatwiają dostęp komórkom organizmu oraz dostarczają niezbędnych cząsteczek sygnalizacyjnych (np. cząsteczek adhezyjnych, czynników wzrostu).


Bioreaktory


Bioreaktory poprzez działanie mechaniczne modulują proces tworzenia tkanki. Mogą służyć zarówno jako „inkubatory”, w których in vitro, dzięki regulowanym warunkom biochemicznym i fizycznym, powstają gotowe implanty, bądź jako urządzenia ułatwiające wyprodukowanie samej matrycy do przeszczepienia. Każde takie urządzenie powinno wykonywać kilka podstawowych w tym zakresie zadań: zapewniać jednorodne rozmieszczenie komórek, utrzymać właściwe stężenie gazów i substancji odżywczych w pożywce, ułatwiać ich transport do komórek, umożliwiać działanie bodźców fizycznych i mechanicznych stymulujących komórki do rozwoju oraz dostarczać informacji o postępie tworzenia konstruktu. Zastosowanie takich wygórowanych warunków pozawala na otrzymanie organu lepszej jakości i w szybszym czasie niż w przypadku standardowej hodowli. Ogromną zaletą jest również możliwość kontroli w czasie i przestrzeni różnicowania oraz rozmieszczenia komórek, co ma zrozumiale duże znaczenie, a w kulturach statycznych często bywa problematyczne. Warto wiedzieć, że to właśnie w bioreaktorze powstała pierwsza tchawica, którą z powodzeniem przeszczepiono pacjentowi.


Drukowanie tkanek


Istnieje alternatywna metoda uzyskiwania narządów, pozwalająca na zorganizowanie komórek w trójwymiarową strukturę, ale bez udziału biomateriałów. Metoda wykorzystuje wielokomórkowe sferyczne agregaty komórkowe, służące w całej procedurze jako „krople” bio-tuszu. Komórki za sprawą biodrukarki ściśle kontrolującej cały proces trafiają na specjalny biopapier, czyli najwłaściwsze dla danych komórek środowisko. Po drukowaniu wskutek naturalnej integracji elementów biotuszu tworzą się funkcjonalne struktury biologiczne.


Podsumowanie


Inżynieria tkankowa to prężnie rozwijająca się interdyscyplinarna dziedzina nauki, która być może w niedalekiej przyszłości upora się z podstawowymi problemami współczesnej transplantologii. Prace prowadzone w tym kierunku skupiają się na otrzymywaniu w kulturach komórkowych funkcjonalnych narządów do przeszczepu lub matryc, które po przeszczepie umożliwią pacjentowi naturalną regenerację uszkodzonego bądź utraconego organu. Wspólny wysiłek biologów molekularnych i inżynierów materiałowych oraz wykorzystanie zaawansowanych technologii przynoszą coraz bardziej obiecujące rezultaty. W prasie pojawiają się już pierwsze doniesienia o skutecznych operacjach przeszczepu narządów otrzymanych tą drogą, a pacjenci i lekarze gorliwie wyczekują momentu, kiedy stanie się to kliniczną rutyną.


Autor: Martyna Franczuk


Literatura:
1. Atala A., 2009. Engineering organs. Current Opinion in Biotechnology 20, 5:575-572.
2. Chapekar M.S., 2000. Tissue Engineering: Challenges and Opportunities. Journal of Biomedical Material Research (Applied Biomaterials) 53: 617– 620.
3. Fodor W.L., 2003. Tissue engineering and cell based therapies, from the bench to the clinic: The potential to replace, repair and regenerate. Reproductive Biology and Endocrinology 1: 102.
4. Koh Ch. J., Atala A., 2004. Therapeutic cloning applications for organ transplantation. Transplant Immunology 12, 3-4: 193-201.
5. Marga F., Neagu A., Kosztin I., Forgacs G., 2007. Developmental biology and tissue engineering. Birth Defects Research 81: 320-328.
6. Partap S., Plunkett N.A., O’Brien F. J., 2010. Bioreactors in tissue engineering. Tissue engineering, Daniel Eberli (Ed.), ISBN: 978-953-307-079-7, InTech.


Komentarze

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

Podręcznik biotechnologii

Kto jest online

136 gości oraz 0 użytkowników online.

Jesteś niezarejestrowanym lub niezalogowanym użytkownikiem.


 
 
 
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