Тканевая инженерия и регенеративная медицина

Клетки являются строительными блоками ткани, а ткани - основной единицей функции организма. Как правило, группы клеток создают и выделяют свои собственные структуры поддержки, называемые внеклеточным матриксом. Эта матрица, или каркас , делает больше, чем просто поддерживает клетки; он также действует как ретранслятор для различных сигнальных молекул. Таким образом, ячейки получают сообщения из многих источников, которые становятся доступными из локальной среды. Каждый сигнал может запустить цепочку ответов, которые определяют, что происходит с клеткой. Понимая, как отдельные клетки реагируют на сигналы, взаимодействуют с окружающей средой и организуются в ткани и организмы, исследователи смогли манипулировать этими процессами, чтобы исправить поврежденные ткани или даже создать новые.

Этот процесс часто начинается с создания строительных лесов из широкого набора возможных источников, от белков до пластмасс. После создания каркасов можно вводить клетки с «коктейлем» факторов роста или без него. Если среда правильная, развивается ткань. В некоторых случаях клетки, каркасы и факторы роста смешиваются вместе, что позволяет ткани «собираться самостоятельно».

Другой метод для создания новой ткани использует существующий каркас. Клетки донорского органа отделяются, а оставшийся коллагеновый каркас используется для выращивания новой ткани. Этот процесс был использован для биоинженерии сердца, печени, легких и почек. Этот подход имеет большие перспективы для использования строительных лесов из ткани человека, выброшенной во время операции, и комбинирования их с собственными клетками пациента для создания индивидуальных органов, которые не были бы отвергнуты иммунной системой.

Как тканевая инженерия и регенеративная медицина соответствуют современной медицинской практике?
Изображение двух рук в перчатках, растягивающих голубоватый материал с белыми линиями по всемуБиоматериал сделано из кишечника свиней , которые могут быть использованы для лечения ран у людей. При увлажнении материал, который называется SIS, является гибким и простым в обращении.
Источник: Стивен Бадылак, Университет Питтсбурга.
В настоящее время тканевая инженерия играет относительно небольшую роль в лечении пациентов. У пациентов были имплантированы дополнительные мочевые пузыри, мелкие артерии, кожные трансплантаты, хрящи и даже полная трахея, но процедуры все еще являются экспериментальными и очень дорогостоящими. Хотя более сложные ткани органов, такие как сердце, легкие и печень, были успешно воссозданы в лаборатории, они далеки от того, чтобы быть полностью воспроизводимыми и готовыми к имплантации пациенту. Эти ткани, однако, могут быть весьма полезны в исследованиях, особенно в разработке лекарств. Использование функционирующей человеческой ткани для скрининга кандидатов на медикаменты может ускорить разработку и предоставить ключевые инструменты для облегчения персонализированной медицины, при этом экономя деньги и сокращая количество животных, используемых для исследований.

Что финансируют NIH исследователи в области тканевой инженерии и регенеративной медицины?
Исследования, поддерживаемые NIBIB, включают разработку новых строительных материалов и новых инструментов для изготовления, визуализации , мониторинга и сохранения искусственных тканей. Некоторые примеры исследований в этой области описаны ниже.

Управление стволовыми клетками через окружающую среду. В
течение многих лет ученые искали способы контроля того, как стволовые клетки превращаются в клетки других типов, в надежде на создание новых методов лечения. Два исследователя NIBIB выращивали плюрипотентные клетки - стволовые клетки, которые способны превращаться в клетки любого типа - в различных типах определенных пространств и обнаружили, что это ограничение вызвало очень специфические генные сети, которые определяли конечную судьбу клеток. Большинство других медицинских исследований по плюрипотентным стволовым клеткам было сосредоточено на модификации комбинации ростовых растворов, в которые помещены клетки. Открытие того факта, что существует биомеханический элемент контроля трансформации стволовых клеток в клетки других типов, является важной частью головоломки, поскольку ученые пытаются использовать стволовые клетки для медицинских целей.
Thumbnail
Человеческая печень в терапии мышей
Имплантация человеческой печени у мышей.
Исследователи, финансируемые NIBIB, разработали ткани печени человека, которые можно имплантировать мышам . Мышь также сохраняет свою собственную печень и, следовательно, свою нормальную функцию, но добавленная часть искусственной человеческой печени может метаболизировать лекарства точно так же, как люди. Это позволяет исследователям проверять чувствительность к токсичности и демонстрировать видоспецифичные ответы, которые обычно не проявляются до клинических испытаний. Таким образом, использование искусственных тканей человека может сократить время и стоимость производства новых лекарств, а также позволит провести критический анализ взаимодействия лекарств с наркотиками в системе, подобной человеку.
Нажми сюда, чтобы прочитать больше
Проектирование зрелых костных стволовых клеток .
Исследователи, финансируемые NIBIB, завершили первое опубликованное исследование, в котором удалось перенести стволовые клетки от их плюрипотентного состояния до зрелых костных трансплантатов, которые потенциально могут быть трансплантированы пациенту. Ранее исследователи могли только дифференцировать клетки в примитивную версию ткани, которая не была полностью функциональной. Кроме того, исследование показало, что, когда кость была имплантирована мышам с иммунодефицитом, впоследствии не было аномальных новообразований - проблема, которая часто возникает после имплантации только стволовых клеток или костных каркасов.
Использование решеток для выживания инженерных тканей:
В настоящее время инженерные ткани размером более 200 микрон (примерно в два раза больше ширины человеческого волоса) в любом измерении не могут выжить, поскольку у них нет сосудистых сетей (вен или артерий). Тканям нужна хорошая «система водоснабжения» - способ доставлять питательные вещества в клетки и уносить отходы - и без кровоснабжения или подобного механизма клетки быстро погибают. В идеале ученые хотели бы иметь возможность создавать инженерные ткани с помощью уже встроенной системы водоснабжения. Один исследователь, финансируемый NIBIB, работает над очень простой и легко воспроизводимой системой, чтобы решить эту проблему: модифицированный струйный принтер, устанавливающий решетку изготовлен из сахарного раствора. Этот раствор затвердевает, и спроектированная ткань (в форме геля) окружает решетку. Позже добавляется кровь, которая легко растворяет сахарную решетку,
3 МРТ изображения колена перед сезоном баскетбола NBA, 3 постсезонаИсточник: Гарри Голд
Новая надежда на задницу колена:
До настоящего времени хрящ было очень трудно, если не невозможно, восстановить из-за того, что хрящу не хватает кровоснабжения для ускорения регенерации. У молодых людей, страдающих спортивными травмами, был достигнут 50% долгосрочный успех при хирургическом вмешательстве с микроразрывом, и у пациентов с широко распространенной дегенерацией хряща, например остеоартритом, успех был незначительным. Инженер по тканям, финансируемый НИБИБ, разработал биологический гель, который можно вводить в дефект хряща после операции микроразрушения, чтобы создать среду, способствующую регенерации. Однако для того, чтобы этот гель оставался на месте внутри колена, исследователи также разработали новый биологический адгезив, который способен связываться как с гелем, так и с поврежденным хрящом в колене, сохраняя вновь отросший хрящ на месте. Комбинация гель / адгезив была успешной в регенерации хрящевой ткани после операции в недавнем клиническом испытании 15 пациентов, каждый из которых сообщил о снижении боли через шесть месяцев после операции. Напротив, большинство пациентов с микроразрывом после первоначального уменьшения боли вернулись к своему первоначальному уровню боли в течение шести месяцев. Этот исследователь работал в сотрудничестве с другим грантополучателем NIBIB, чтобы изобразить пациентов, перенесших операцию, что позволило ученым комбинировать новые неинвазивные методы, чтобы увидеть полученные результаты в режиме реального времени. вернулся к своему первоначальному уровню боли в течение шести месяцев. Этот исследователь работал в сотрудничестве с другим грантополучателем NIBIB, чтобы изобразить пациентов, перенесших операцию, что позволило ученым комбинировать новые неинвазивные методы, чтобы увидеть полученные результаты в режиме реального времени. вернулся к своему первоначальному уровню боли в течение шести месяцев. Этот исследователь работал в сотрудничестве с другим грантополучателем NIBIB, чтобы изобразить пациентов, перенесших операцию, что позволило ученым комбинировать новые неинвазивные методы, чтобы увидеть полученные результаты в режиме реального времени.
Нажми сюда, чтобы прочитать больше
Регенерация новой почки:
способность регенерировать новую почку из собственных клеток пациента обеспечит значительное облегчение для сотен тысяч пациентов, страдающих заболеванием почек. Экспериментируя на клетках почек крысы, свиньи и человека, исследователи, поддерживаемые NIDDK, открыли новые возможности в этой области, сначала сняв клетки с донорского органа и используя оставшиеся каркасные коллагеновые каркасы, чтобы помочь росту новой ткани. Чтобы восстановить жизнеспособную почечную ткань, исследователи засеяли почечные каркасы эпителиальными и эндотелиальными клетками. Полученная ткань органа способна очищать метаболиты, реабсорбировать питательные вещества и вырабатывать мочу как in vitro, так и in vivo.у крыс. Этот процесс ранее использовался для биоинженерии сердца, печени и легких. Создание трансплантируемой ткани для постоянной замены функции почек является шагом вперед в преодолении проблем нехватки донорских органов и заболеваемости, связанной с иммуносупрессией при трансплантации органов.