Способността на човешкото тяло да регенерира тъкани и органи е изключително неефективна и загубата на човешка тъкан и органи може да се случи лесно поради неща като вродени дефекти, заболявания и внезапна травма. Когато тъканта умре (наречена некроза), тя не може да бъде върната към живот - ако не бъде премахната или поправена, това може да засегне други области на тялото, като околните тъкани, органи, кости и кожа.
Тук е полезно тъканното инженерство. Чрез използване на биоматериал (материя, която взаимодейства с биологичните системи на тялото като клетки и активни молекули), могат да се създадат функционални тъкани, които да помогнат за възстановяването, възстановяването или заместването на увредените човешки тъкани и органи.
Cavan Images / Гети изображенияКратка история
Тъканното инженерство е сравнително нова област на медицината, като изследванията започват едва през 80-те години. Американски биоинженер и учен на име Yuan-Cheng Fung подаде предложение до Националната научна фондация (NSF) за изследователски център, който да бъде посветен на живите тъкани. Фунг възприема концепцията за човешката тъкан и я разширява, за да се прилага за всеки жив организъм между клетките и органите.
Въз основа на това предложение NSF обозначава термина „тъканно инженерство“ в опит да формира ново поле за научни изследвания. Това доведе до създаването на Тъканното инженерно общество (TES), което по-късно се превърна в Международно дружество по тъканно инженерство и регенеративна медицина (TERMIS).
TERMIS насърчава както обучение, така и изследвания в областта на тъканното инженерство и регенеративната медицина. Регенеративната медицина се отнася до по-широко поле, което се фокусира както върху тъканното инженерство, така и върху способността на човешкото тяло да се самоизлекува, за да възстанови нормалната функция на тъканите, органите и човешките клетки.
Предназначение на тъканното инженерство
Тъканното инженерство има няколко основни функции в медицината и научните изследвания: подпомагане на възстановяването на тъкани или органи, включително възстановяване на костите (калцирана тъкан), хрущялна тъкан, сърдечна тъкан, панкреасна тъкан и съдова тъкан. Полето провежда и изследвания за поведението на стволовите клетки. Стволовите клетки могат да се развият в много различни видове клетки и могат да помогнат за възстановяването на части от тялото.
Областта на тъканното инженерство позволява на изследователите да създават модели за изследване на различни заболявания, като рак и сърдечни заболявания.
3D природата на тъканното инженерство позволява да се изучава туморната архитектура в по-точна среда. Тъканното инженерство също осигурява среда за тестване на потенциални нови лекарства за тези заболявания.
Как работи
Процесът на тъканно инженерство е сложен. Той включва формиране на 3D функционална тъкан, която да помогне за възстановяването, подмяната и регенерирането на тъкан или орган в тялото. За целта клетките и биомолекулите се комбинират със скелета.
Скелета са изкуствени или естествени структури, които имитират реални органи (като бъбреците или черния дроб). Тъканта расте на тези скелета, за да имитира биологичния процес или структура, която трябва да бъде заменена. Когато те се конструират заедно, се създава нова тъкан, която да възпроизвежда състоянието на старата тъкан, когато не е била повредена или болна.
Скелета, клетки и биомолекули
Скелета, които обикновено се създават от клетките в тялото, могат да бъдат изградени от източници като протеини в тялото, изкуствени пластмаси или от съществуващо скеле, като например от донорен орган. В случай на донорен орган, скелето ще бъде комбинирано с клетки от пациента, за да се направят адаптивни органи или тъкан, която всъщност е вероятно да бъде отхвърлена от имунната система на пациента.
Независимо от начина, по който се формира, именно тази структура на скелето изпраща съобщения до клетките, които помагат за поддържането и оптимизирането на клетъчните функции в тялото.
Изборът на правилните клетки е важна част от тъканното инженерство. Има два основни типа стволови клетки.
Два основни типа стволови клетки
- Ембрионални стволови клетки: произхождат от ембриони, обикновено в яйца, които са били оплодени in vitro (извън тялото).
- Възрастни стволови клетки: намират се в тялото сред обикновените клетки - те могат да се размножават чрез клетъчно делене, за да попълнят умиращите клетки и тъкани.
Понастоящем се провеждат много изследвания и върху плурипотентни стволови клетки (възрастни стволови клетки, които са подтикнати да се държат като ембрионални стволови клетки). На теория има неограничено предлагане на плюрипотентни стволови клетки и използването им не включва въпроса за унищожаването на човешки ембриони (което също причинява етичен проблем). Всъщност изследователите, носители на Нобелова награда, публикуваха своите открития относно плурипотентните стволови клетки и тяхната употреба.
Като цяло биомолекулите включват четири основни класа (въпреки че има и вторични класове): въглехидрати, липиди, протеини и нуклеинови киселини. Тези биомолекули спомагат за изграждането на клетъчната структура и функция. Въглехидратите помагат на органи като мозъка и сърцето да функционират, както и системите да работят като храносмилателната и имунната системи.
Протеините осигуряват антитела срещу микроби, както и структурна подкрепа и движение на тялото. Нуклеиновите киселини съдържат ДНК и РНК, давайки генетична информация на клетките.
Медицинска употреба
Тъканното инженерство не се използва широко за грижи или лечение на пациенти. Има няколко случая, при които се използва тъканно инженерство при кожни присадки, възстановяване на хрущяли, малки артерии и пикочни мехури при пациенти. Въпреки това, тъканно проектирани по-големи органи като сърцето, белите дробове и черния дроб все още не са били използвани при пациенти (въпреки че те са създадени в лаборатории).
Освен рисковия фактор от използването на тъканно инженерство при пациенти, процедурите са изключително скъпи. Въпреки че тъканното инженерство е полезно, когато става въпрос за медицински изследвания, особено при тестване на нови лекарствени форми.
Използването на жива, функционираща тъкан в среда извън тялото помага на изследователите да спечелят в персонализираната медицина.
Персонализираната медицина помага да се определи дали някои лекарства действат по-добре за определени пациенти въз основа на генетичния им състав, както и намалява разходите за разработване и тестване върху животни.
Примери за тъканно инженерство
Неотдавнашен пример за тъканно инженерство, проведен от Националния институт по биомедицинско изобразяване и биоинженерство, включва инженеринг на човешка чернодробна тъкан, която след това се имплантира в мишка. Тъй като мишката използва свой собствен черен дроб, човешката чернодробна тъкан метаболизира лекарствата, имитирайки как хората ще реагират на определени лекарства в мишката. Това помага на изследователите да разберат какви възможни лекарствени взаимодействия може да има с дадено лекарство.
В опит да създадат тъкан с вградена мрежа, изследователите тестват принтер, който би направил съдова мрежа от захарен разтвор. Разтворът ще се образува и втвърди в инженерната тъкан, докато кръвта се добави към процеса, пътувайки през каналите, създадени от човека.
И накрая, регенерирането на бъбреците на пациента, използвайки собствените клетки на пациента, е друг проект на Института. Изследователите са използвали клетки от донорски органи, за да се комбинират с биомолекули и колагеново скеле (от донорския орган), за да растат нови бъбречни тъкани.
След това тази органна тъкан беше тествана за функциониране (като абсорбиране на хранителни вещества и производство на урина) както отвън, така и отвътре от плъхове. Напредъкът в тази област на тъканното инженерство (който може да работи по подобен начин за органи като сърцето, черния дроб и белите дробове) може да помогне при недостиг на донори, както и да намали всички заболявания, свързани с имуносупресия при пациенти с трансплантирани органи.
Как се отнася до рака
Метастатичният туморен растеж е една от причините ракът да е водеща причина за смърт. Преди тъканното инженерство, туморната среда можеше да бъде създадена извън тялото само в 2D форма. Сега 3D средите, както и разработването и използването на определени биоматериали (като колаген), позволяват на изследователите да разгледат околната среда на тумора до микросредата на определени клетки, за да видят какво се случва с болестта, когато някои химични състави в клетките се променят .
По този начин тъканното инженерство помага на изследователите да разберат както прогресията на рака, така и какви са ефектите от някои терапевтични подходи върху пациентите със същия вид рак.
Въпреки че е постигнат напредък в изучаването на рака чрез тъканно инженерство, растежът на тумори често може да доведе до образуването на нови кръвоносни съдове. Това означава, че дори с напредъка на тъканното инженерство, постигнато с изследванията на рака, може да има ограничения, които могат да бъдат премахнати само чрез имплантиране на инженерната тъкан в жив организъм.
При рак обаче тъканното инженерство може да помогне да се установи как се образуват тези тумори, как трябва да изглеждат нормалните клетъчни взаимодействия, както и как раковите клетки растат и метастазират. Това помага на изследователите да тестват лекарства, които ще повлияят само на раковите клетки, за разлика от целия орган или тяло.
