Тканевая инженерия

За последнее десятилетие в области тканевой инженерии новые источники клеток, инженерные материалы и методы тканевой архитектуры предоставили инженерные ткани, которые лучше восстанавливают, поддерживают, улучшают или заменяют биологические ткани.

Тканевая инженерия - это дисциплина биомедицинской инженерии, которая использует комбинацию клеток , инженерии , методов материалов и подходящих биохимических и физико-химических факторов для восстановления, поддержания, улучшения или замены различных типов биологических тканей. Тканевая инженерия часто включает использование клеток, размещенных на тканевых каркасах, для образования новой жизнеспособной ткани в медицинских целях, но не ограничивается применениями, включающими клетки и тканевые каркасы. Хотя когда-то она была отнесена к подотрасли биоматериалов , расширившись по масштабам и значению, она может рассматриваться как отдельная область.

Воспроизвести медиа

Что такое тканевая инженерия и как она работает

В то время как большинство определений тканевой инженерии охватывают широкий диапазон применений, на практике этот термин тесно связан с приложениями, ремонт или замену частей или целых тканей (то есть, кости , хряща , ^[1] кровеносных сосудов , мочевого пузыря , кожи , мышц и т.д. .). Часто вовлеченным тканям для правильного функционирования требуются определенные механические и структурные свойства. Этот термин также применялся к усилиям по выполнению определенных биохимических функций с использованием клеток в рамках искусственно созданной системы поддержки (например, искусственной поджелудочной железы или биоискусственной печени ). Терминрегенеративная медицина часто используется как синоним тканевой инженерии, хотя те, кто занимается регенеративной медициной, уделяют больше внимания использованию стволовых клеток или клеток-предшественников для производства тканей.

Обзор [ править ]

Обычно применяемое определение тканевой инженерии, как указано Лангером ^[2] и Ваканти ^[3], - это « междисциплинарная область, которая применяет принципы инженерии и наук о жизни для разработки биологических заменителей, которые восстанавливают, поддерживают или улучшают [Биологические ткань] функции или всего органа ". ^[4] Кроме того, Лангер и Ваканти также заявляют, что существует три основных типа тканевой инженерии: клетки, ткане-индуцирующие вещества и подход «клетки + матрица» (часто называемый каркасом). Тканевая инженерия также определяется как «понимание принципов роста тканей и их применение для производства функциональной замещающей ткани для клинического использования». ^[5]Далее в описании говорится, что «основное предположение тканевой инженерии состоит в том, что использование естественной биологии системы позволит добиться большего успеха в разработке терапевтических стратегий, направленных на замену, восстановление, поддержание или улучшение функции ткани». ^[5]

Разработки в мультидисциплинарной области тканевой инженерии привели к появлению нового набора частей для замены тканей и стратегий их реализации. Научные достижения в области биоматериалов , стволовых клеток, факторов роста и дифференцировки и биомиметических сред создали уникальные возможности для изготовления или улучшения существующих тканей в лаборатории из комбинаций сконструированных внеклеточных матриц («каркасов»), клеток и биологически активных молекул. Среди основных проблем, стоящих сейчас перед тканевой инженерией, - потребность в более сложной функциональности, биомеханической стабильности и васкуляризации в выращенных в лаборатории тканях, предназначенных для трансплантации. ^[6] Непрерывный успех тканевой инженерии и, в конечном итоге, разработка настоящих запасных частей для человека будет происходить в результате конвергенции инженерных и фундаментальных исследований в области тканей, матрикса, факторов роста, стволовых клеток и биологии развития, а также материаловедения и биоинформатики.

В 2003 году NSF опубликовал отчет под названием «Появление тканевой инженерии как области исследований», в котором дается подробное описание истории этой области. ^[7]

Этимология [ править ]

Историческое происхождение этого термина неясно, поскольку определение слова изменилось за последние десятилетия. Термин впервые появился в публикации 1984 года, в которой описывалась организация эндотелиоподобной мембраны на поверхности давно имплантированного синтетического офтальмологического протеза ^[8].

Первое современное употребление этого термина, признанное сегодня, было в 1985 году исследователем, физиологом и биоинженером Я. К. Фунгом из Центра инженерных исследований. Он предложил объединить термины ткань (в отношении фундаментальных отношений между клетками и органами) и инженерия (в отношении области модификации указанных тканей). Термин был официально принят в 1987 году. ^[8]

История [ править ]

Древняя эра (до 17 века) [ править ]

Элементарное понимание внутренней работы человеческих тканей может появиться гораздо раньше, чем можно было бы ожидать. Еще в период неолита швы использовались для закрытия ран и облегчения заживления. Позже такие общества, как Древний Египет, разработали более качественные материалы для зашивания ран, такие как льняные нити. Около 2500 г. до н.э. в древней Индии кожные трансплантаты были созданы путем срезания кожи с ягодиц и их пришивания к участкам ран в ухе, носу или губах. Древние египтяне часто пересаживали кожу с трупов на живых людей и даже пытались использовать мед в качестве антибиотика и жир в качестве защитного барьера для предотвращения инфекции. В I и II веках нашей эры галло-римляне разработали имплантаты из кованого железа, а зубные имплантаты можно было найти у древних майя.Просвещение (17-19 века) Хотя эти древние общества разработали методы, намного опередившие свое время, им все еще не хватало механистического понимания того, как тело реагирует на эти процедуры. Этот механистический подход появился в тандеме с развитием эмпирического метода науки, впервые предложенного Рене Декартом. Сэр Исаак Ньютон начал называть тело «физико-химической машиной» и утверждал, что болезнь - это поломка машины. В 17 веке Роберт Гук открыл клетку, и письмо Бенедикта де Спинозы выдвинуло идею гомеостаза между динамическими процессами в организме. Эксперименты с гидрой, проведенные Абрахамом Трембли в 18 веке, начали исследовать регенеративные способности клеток. В 19 векеЛучшее понимание того, как различные металлы взаимодействуют с телом, привело к разработке более качественных швов и переходу на винтовые и пластинчатые имплантаты при фиксации кости. Кроме того, в середине 1800-х годов была впервые высказана гипотеза, что взаимодействие клеток с окружающей средой и пролиферация клеток имеют жизненно важное значение для регенерации тканей.

Современная эра (20-е и 21-е века) [ править ]

С течением времени и развитием технологий существует постоянная потребность в изменении подхода исследователей к своим исследованиям. Тканевая инженерия развивалась веками. Вначале люди использовали образцы непосредственно с трупов людей или животных. Теперь тканевые инженеры имеют возможность переделывать многие ткани в организме с помощью современных методов, таких как микротехнология и трехмерная биопечать в сочетании с клетками нативных тканей / стволовыми клетками. Эти достижения позволили исследователям создавать новые ткани гораздо более эффективным способом. Например, эти методы обеспечивают большую персонализацию, что обеспечивает лучшую биосовместимость, снижение иммунного ответа, клеточную интеграцию и долголетие. Нет сомнений в том, что эти методы будут продолжать развиваться,поскольку мы продолжаем видеть развитие микротехнологии и биопечати за последнее десятилетие.

В 1960 году Вихтерле и Лим были первыми, кто опубликовал эксперименты с гидрогелями для биомедицинских применений, используя их в конструкции контактных линз. В течение следующих двух десятилетий работы в этой области развивались медленно, но позже нашли поддержку, когда гидрогели были перепрофилированы для доставки лекарств. В 1984 году Чарльз Халл разработал биопечать, превратив струйный принтер Hewlett-Packard в устройство, способное наносить клетки в 2D. 3D-печать - это вид аддитивного производства, который с тех пор нашел множество применений в медицинской технике благодаря своей высокой точности и эффективности.С разработкой биологом Джеймсом Томпсоном первых линий стволовых клеток человека в 1998 году с последующей трансплантацией первых выращенных в лаборатории внутренних органов в 1999 году и созданием первого биопринтера в 2003 году Университетом Миссури, когда они печатали сфероиды без каркасов, трехмерная биопечать стали более широко использоваться в медицине, чем когда-либо прежде. Пока что ученым удалось напечатать мини-органоиды и органы на чипах, которые на практике помогли понять функции человеческого тела. Фармацевтические компании используют эти модели для тестирования лекарств, прежде чем переходить к исследованиям на животных. Однако полностью функциональный и структурно подобный орган еще не напечатан.Сообщается, что команда из Университета Юты распечатала уши и успешно пересадила их детям, рожденным с дефектами, из-за которых уши остались частично развитыми.

Сегодня гидрогели считаются предпочтительным выбором биочерок для 3D-биопечати, поскольку они имитируют естественный ECM клеток, а также обладают сильными механическими свойствами, способными поддерживать 3D-структуры. Кроме того, гидрогели в сочетании с 3D-биопечатью позволяют исследователям создавать различные каркасы, которые можно использовать для формирования новых тканей или органов. Ткани с трехмерной печатью все еще сталкиваются с множеством проблем, таких как добавление сосудистой сети. Между тем, трехмерная печать частей тканей определенно улучшит наше понимание человеческого тела, тем самым ускоряя как фундаментальные, так и клинические исследования.

Примеры [ править ]

По определению Лангера и Ваканти ^[4] примеры тканевой инженерии можно разделить на одну или несколько из трех категорий: «только клетки», «клетки и каркас» или «факторы, индуцирующие ткань».

• Мясо in vitro : съедобная искусственная мышечная ткань животных, культивируемая in vitro .
• Устройство для биоискусственной печени , «Временная печень», устройство для экстракорпоральной поддержки печени (ELAD): линия клеток гепатоцитов человека (линия C3A) в биореакторе с полыми волокнами может имитировать печеночную функцию печени в острых случаях печеночной недостаточности. Полноценный ELAD будет временно функционировать как индивидуальная печень, что позволит избежать трансплантации и позволить регенерацию собственной печени.
• Искусственная поджелудочная железа : исследования включают использование островковых клеток для регулирования уровня сахара в крови, особенно в случаях диабета . Биохимические факторы могут быть использованы для того, чтобы заставить плюрипотентные стволовые клетки человека дифференцироваться (превратиться в) клетки, которые функционируют аналогично бета-клеткам , которые находятся в островковой клетке, отвечающей за производство инсулина .
• Искусственные мочевые пузыри : Энтони Атала ^[9] ( Университет Уэйк-Форест ) успешно имплантировал искусственные мочевые пузыри, построенные из культивированных клеток, засеянных на каркас в форме мочевого пузыря, семи из примерно 20 человек-испытуемых в рамках долгосрочного эксперимента . ^[10]
• Хрящ : выращенный в лаборатории хрящ, культивированный in vitro на каркасе, успешно использовался в качестве аутотрансплантата для восстановления коленей пациентов. ^[11]
• Хрящ без каркаса: хрящ, образованный без использования экзогенного материала каркаса. В этой методологии весь материал в конструкции является клеточным, продуцируемым непосредственно клетками. ^[12]
• биоискусственное сердце : лаборатория Дорис Тейлор сконструировала биосовместимое крысиное сердце путем повторной клеточности де-клеточного сердца крысы. Этот каркас и клетки были помещены в биореактор , где он созрел и стал частично или полностью трансплантируемым органом. ^[13] произведение было названо «вехой». Лаборатория сначала удалила клетки из сердца крысы (процесс, называемый «децеллюляризация»), а затем ввела крысиные стволовые клетки в децеллюляризованное сердце крысы. ^[14]
• Тканевой инженерии дыхательных путей : Донор трахеи успешно decellularized и recellularized с аутологичных клеток и пересаживают реципиенту. ^[15]
• Кровеносные сосуды с тканевой инженерией: ^[16] Кровеносные сосуды, которые были выращены в лаборатории и могут использоваться для восстановления поврежденных кровеносных сосудов, не вызывая иммунного ответа .
• Искусственная кожа, созданная из клеток кожи человека, встроенных в гидрогель , например, в случае биопечати конструкций для ремонта ожогов на поле боя. ^[17]
• Искусственный костный мозг : костный мозг, культивируемый in vitro для трансплантации, служит подходом «только клетки» к тканевой инженерии. ^[18]
• Тканевая инженерия костей: структурная матрица может состоять из металлов, таких как титан, полимеров с разной степенью разложения или определенных типов керамики. ^[19] Материалы часто выбираются для набора остеобластов, чтобы помочь в реформировании кости и возвращении биологической функции. ^[20] Различные типы ячеек могут быть добавлены непосредственно в матрицу для ускорения процесса. ^[19]
• Пенис, выращенный в лаборатории : децеллюляризованные каркасы пенисов кролика были рецеллюляризованы гладкими мышцами и эндотелиальными клетками. Затем орган был трансплантирован живым кроликам и функционировал аналогично нативному органу, что указывает на его потенциал для лечения травм половых органов . ^[21]
• В тканевой инженерии слизистой оболочки полости рта используется подход клеток и каркаса для воспроизведения трехмерной структуры и функции слизистой оболочки полости рта .

Клетки как строительные блоки [ править ]

Клетки являются одним из основных компонентов успеха подходов к тканевой инженерии. Тканевая инженерия использует клетки как стратегии для создания / замены новой ткани. Примеры включают фибробласты, используемые для восстановления или обновления кожи, ^[22] хондроциты, используемые для восстановления хряща (продукт, одобренный MACI-FDA), и гепатоциты, используемые в системах поддержки печени.

Клетки можно использовать отдельно или с поддерживающими матрицами для приложений тканевой инженерии. Адекватная среда для стимулирования роста, дифференциации и интеграции клеток с существующей тканью является критическим фактором для строительных блоков на основе клеток. ^[23] Манипуляции с любым из этих клеточных процессов создают альтернативные возможности для развития новой ткани (например, перепрограммирование соматических клеток, васкуляризация).

Изоляция [ править ]

Методы выделения клеток зависят от источника клеток. Центрифугирование и аферез - это методы, используемые для извлечения клеток из биожидкостей (например, крови). В то время как процессы пищеварения, обычно с использованием ферментов для удаления внеклеточного матрикса (ЕСМ), необходимы до центрифугирования или методов афереза ​​для извлечения клеток из тканей / органов. Трипсин и коллагеназа - наиболее распространенные ферменты, используемые для пищеварения тканей. Хотя трипсин зависит от температуры, коллагеназа менее чувствительна к изменениям температуры.

Источники клеток [ править ]

Первичные клетки - это клетки , непосредственно выделенные из ткани хозяина. Эти клетки обеспечивают ex-vivo модель клеточного поведения без каких-либо генетических, эпигенетических изменений или изменений, связанных с развитием; делая их более близкими к воспроизведению условий in vivo, чем клетки, полученные другими методами. ^{[24] Однако} это ограничение также может затруднить их изучение. Это зрелые клетки, часто терминально дифференцированные, что означает, что для многих типов клеток пролиферация затруднена или невозможна. Кроме того, микросреда, в которой существуют эти клетки, является узкоспециализированной, что часто затрудняет воспроизведение этих условий. ^[25]

Вторичные клетки Часть клеток из первичной культуры перемещается в новое хранилище / сосуд для продолжения культивирования. Среду из первичной культуры удаляют, клетки, которые требуется перенести, получают, а затем культивируют в новом сосуде со свежей средой для выращивания. ^{[ необходима цитата ]} Вторичная клеточная культура полезна для того, чтобы гарантировать, что у клеток есть как пространство, так и питательные вещества, необходимые для роста. Вторичные культуры наиболее часто используются в любом сценарии, в котором желательно большее количество клеток, чем может быть обнаружено в первичной культуре. Вторичные клетки имеют те же ограничения, что и первичные клетки (см. Выше), но имеют дополнительный риск заражения при переносе в новый сосуд.

Генетические классификации клеток [ править ]

Аутологичный: донор и получатель клеток - одно и то же лицо. Клетки собирают, культивируют или хранят, а затем повторно вводят хозяину. В результате повторного введения собственных клеток хозяина антигенный ответ не вызывается. Иммунная система организма распознает эти повторно имплантированные клетки как свои собственные и не нацеливается на них для атаки. Зависимость аутологичных клеток от здоровья клетки-хозяина и заболеваемости донорским участком может сдерживать их использование. Мезенхимальные стволовые клетки из жировой ткани и костного мозга обычно являются аутологичными по своей природе и могут использоваться множеством способов, от помощи в восстановлении скелетной ткани до пополнения бета-клеток у пациентов с диабетом. ^{[26] [27] [28] [29]}

Аллогенный: клетки получают из тела донора того же вида, что и реципиент. Хотя существуют некоторые этические ограничения на использование человеческих клеток для исследований in vitro (например, развитие химер ткани мозга человека ^[30] ), использование дермальных фибробластов из крайней плоти человека демонстрирует иммунологически безопасный и, следовательно, жизнеспособный выбор для аллогенной тканевой инженерии. кожи.

Ксеногенные: эти клетки являются производными изолированных клеток альтернативных видов реципиента. Ярким примером использования ксеногенной ткани является создание сердечно-сосудистых имплантатов с помощью клеток животных. Химерное разведение человека и животных вызывает этические опасения по поводу возможности улучшения сознания от имплантации человеческих органов животным. ^[31]

Сингенные или изогенные: эти клетки описывают те, которые произошли от идентичного генетического кода. Это дает иммунологический эффект, подобный аутологичным клеточным линиям (см. Выше). ^[32] Аутологичные клетки могут считаться сингенными, но классификация также распространяется на клетки, полученные неутологически, например, от однояйцевых близнецов, генетически идентичных (клонированных) исследовательских моделей или индуцированных стволовых клеток (iSC) ^[33] как родственные донору.

Стволовые клетки [ править ]

Стволовые клетки - это недифференцированные клетки, способные делиться в культуре и давать начало различным формам специализированных клеток. Стволовые клетки делятся на «взрослые» и «эмбриональные» стволовые клетки в зависимости от их источника. Хотя до сих пор ведутся большие этические дебаты, связанные с использованием эмбриональных стволовых клеток, считается, что другой альтернативный источник - индуцированные плюрипотентные стволовые клетки - может быть полезен для восстановления больных или поврежденных тканей или может быть использован для выращивания новых. органы.

Тотипотентные клетки - это стволовые клетки, которые могут делиться на другие стволовые клетки или дифференцироваться в клетки любого типа в организме, включая экстраэмбриональную ткань.

Плюрипотентные клетки - это стволовые клетки, которые могут дифференцироваться в клетки любого типа в организме, кроме внеэмбриональной ткани. индуцированные плюрипотентные стволовые клетки (ИПСК) представляют собой подкласс плюрипотентных стволовых клеток, напоминающих эмбриональные стволовые клетки (ЭСК), которые были получены из взрослых дифференцированных клеток. ИПСК создаются путем изменения экспрессии транскрипционных факторов во взрослых клетках до тех пор, пока они не станут подобны эмбриональным стволовым клеткам. По состоянию на ноябрь 2020 года популярным методом является использование модифицированных ретровирусов для введения определенных генов в геном взрослых клеток, чтобы вызвать их в состояние, подобное эмбриональным стволовым клеткам. ^{[ необходима цитата ]}

Мультипотентные стволовые клетки можно дифференцировать в любую клетку того же класса, например, в кровь или кость . Распространенным примером мультипотентных клеток являются мезенхимальные стволовые клетки (МСК).

Строительные леса [ править ]

Каркасы - это материалы, которые были разработаны, чтобы вызывать желательные клеточные взаимодействия, способствующие формированию новых функциональных тканей для медицинских целей. Клетки часто «засеваются» в эти структуры, способные поддерживать трехмерное формирование ткани. Каркасы имитируют внеклеточный матрикс нативной ткани, воспроизводя среду in vivo и позволяя клеткам влиять на свое собственное микроокружение. Обычно они служат, по крайней мере, для одной из следующих целей: обеспечивают прикрепление и миграцию клеток, доставляют и удерживают клетки и биохимические факторы, обеспечивают диффузию жизненно важных питательных веществ и продуктов экспрессии клеток, оказывают определенные механические и биологические воздействия для изменения поведения клеточной фазы.

В 2009 году междисциплинарная группа под руководством торакального хирурга Торстена Валлеса успешно имплантировала первый биоискусственный трансплантат, который обеспечивает врожденную сосудистую сеть для подачи трансплантата после трансплантации пациенту, ожидающему реконструкции трахеи. ^[34]

Для достижения цели реконструкции тканей каркасы должны отвечать некоторым особым требованиям. Высокая пористость и адекватный размер пор необходимы для облегчения посева и диффузии клеток по всей структуре как клеток, так и питательных веществ. Биоразлагаемостьчасто является важным фактором, так как каркасы предпочтительно должны абсорбироваться окружающими тканями без необходимости хирургического удаления. Скорость, с которой происходит деградация, должна максимально совпадать со скоростью образования ткани: это означает, что пока клетки создают вокруг себя собственную естественную матричную структуру, каркас может обеспечивать структурную целостность внутри тела, и в конечном итоге она будет разрушаются, оставляя вновь сформированную ткань, которая принимает на себя механическую нагрузку. Инъекции также важны для клинического использования. Недавние исследования печати органов показывают, насколько важен хороший контроль трехмерной среды для обеспечения воспроизводимости экспериментов и получения лучших результатов.

Материалы [ править ]

Выбор материала - важный аспект производства строительных лесов. Используемые материалы могут быть натуральными или синтетическими и могут быть биоразлагаемыми или не биоразлагаемыми. Кроме того, они должны быть биосовместимыми, что означает, что они не вызывают каких-либо побочных эффектов для клеток. ^[36] Силикон, например, является синтетическим небиоразлагаемым материалом, обычно используемым в качестве материала для доставки лекарств ^{[37] [38], в} то время как желатин является биоразлагаемым природным материалом, обычно используемым в каркасах для клеточных культур ^{[39] [40 ] ] [41]}

Материал, необходимый для каждого применения, различается и зависит от желаемых механических свойств материала. Например, тканевая инженерия кости потребует гораздо более жесткого каркаса по сравнению с каркасом для регенерации кожи. ^{[ необходима цитата ]}

Есть несколько универсальных синтетических материалов, используемых для множества различных применений строительных лесов. Одним из таких широко используемых материалов является полимолочная кислота (PLA), синтетический полимер. PLA - полимолочная кислота. Это полиэфир, который разлагается в организме человека с образованием молочной кислоты , химического вещества природного происхождения, которое легко удаляется из организма. Сходными материалами являются полигликолевая кислота (PGA) и поликапролактон (PCL): их механизм разложения аналогичен механизму разложения PLA, но PCL разлагается медленнее, а PGA разлагается быстрее. ^{[ необходима цитата ]}PLA обычно комбинируют с PGA для создания сополимера молочной и гликолевой кислоты (PLGA). Это особенно полезно, потому что разложение PLGA может быть адаптировано путем изменения массовых процентов PLA и PGA: больше PLA - более медленное разложение, больше PLA - более быстрое разложение. Эта возможность настройки, наряду с его биосовместимостью, делает его чрезвычайно полезным материалом для создания каркасов. ^[42]

Каркасы также могут быть построены из природных материалов: в частности , были изучены различные производные внеклеточного матрикса , чтобы оценить их способность поддерживать рост клеток. Материалы на основе белков, такие как коллаген или фибрин , и полисахаридные материалы, такие как хитозан ^[43] или гликозаминогликаны (ГАГ), доказали свою пригодность с точки зрения совместимости с клетками. Среди ГАГ гиалуроновая кислота , возможно, в сочетании со сшивающими агентами (например, глутаральдегид , водорастворимый карбодиимиди т. д.), является одним из возможных вариантов материала строительных лесов. Другая форма каркаса - децеллюляризованная ткань. Это процесс, при котором химические вещества используются для извлечения клеток из тканей, оставляя только внеклеточный матрикс. Это дает преимущество полностью сформированной матрицы, специфичной для желаемого типа ткани. Однако децеллюризованный каркас может создавать иммунные проблемы с будущими введенными клетками.

Синтез [ править ]

В литературе описан ряд различных методов приготовления пористых структур для использования в качестве каркасов тканевой инженерии. Каждый из этих методов имеет свои преимущества, но ни один из них не лишен недостатков.

Самостоятельная сборка нановолокна [ править ]

Молекулярная самосборка - один из немногих методов создания биоматериалов со свойствами, сходными по масштабу и химическому составу с природным внеклеточным матриксом (ЕСМ) in vivo , что является решающим шагом на пути к тканевой инженерии сложных тканей. ^[44] Кроме того, эти гидрогелевые каркасы продемонстрировали превосходство в токсикологии и биосовместимости in vivo по сравнению с традиционными макрошкаффолдами и материалами животного происхождения.

Текстильные технологии [ править ]

Эти методы включают в себя все подходы, которые успешно применялись для изготовления нетканых сеток из различных полимеров . В частности, нетканые полигликолидные структуры были протестированы для применения в тканевой инженерии: было обнаружено, что такие волокнистые структуры полезны для выращивания различных типов клеток. Основные недостатки связаны с трудностями получения высокой пористости и правильного размера пор.

Литье в раствор и выщелачивание твердых частиц [ править ]

Литье растворителем и выщелачивание твердых частиц (SCPL) позволяет изготавливать структуры с постоянной пористостью, но с ограниченной толщиной. Сначала полимер растворяют в подходящем органическом растворителе (например, полимолочную кислоту можно растворить в дихлорметане ), затем раствор заливают в форму, заполненную частицами порогена. Такой пороген может представлять собой неорганическую соль, такую ​​как хлорид натрия , кристаллы сахарозы , желатиновые шарики или парафин.сферы. Размер частиц порообразующего вещества будет влиять на размер пор каркаса, в то время как отношение полимера к порообразующему веществу напрямую коррелирует с величиной пористости конечной структуры. После того, как раствор полимера был отлит, растворителю дают полностью испариться, затем композитную структуру в форме погружают в ванну с жидкостью, подходящей для растворения порогена: вода в случае хлорида натрия, сахароза и желатин или алифатический раствор. растворитель, такой как гександля использования с парафином. После полного растворения порогена получается пористая структура. Помимо небольшого диапазона толщины, который может быть получен, другой недостаток SCPL заключается в использовании в нем органических растворителей, которые необходимо полностью удалить, чтобы избежать любого возможного повреждения клеток, засеянных на каркасе.

Вспенивание газа [ править ]

Чтобы избавиться от необходимости использовать органические растворители и твердые порогены, была разработана технология с использованием газа в качестве порогена. Сначала изготавливают дискообразные конструкции из желаемого полимера посредством формования под давлением с использованием нагретой формы. Затем диски помещаются в камеру, где они подвергаются воздействию CO 2 под высоким давлением.в течение нескольких дней. Давление внутри камеры постепенно восстанавливается до атмосферного. Во время этой процедуры поры образуются молекулами углекислого газа, которые покидают полимер, в результате чего получается губчатая структура. Основные проблемы, возникающие при использовании такой технологии, вызваны чрезмерным нагревом, используемым во время компрессионного формования (что запрещает включение любого термолабильного материала в полимерную матрицу), и тем фактом, что поры не образуют взаимосвязанную структуру.

Эмульгирование сублимационной сушки [ править ]

Этот метод не требует использования твердого порогена, такого как SCPL. Сначала синтетический полимер растворяют в подходящем растворителе (например, полимолочную кислоту в дихлорметане), затем к раствору полимера добавляют воду и две жидкости смешивают для получения эмульсии . Прежде чем две фазы смогут разделиться, эмульсия выливается в форму и быстро замораживается путем погружения в жидкий азот . Затем замороженная эмульсия подвергается сублимационной сушке.для удаления диспергированной воды и растворителя, оставляя, таким образом, затвердевшую пористую полимерную структуру. Хотя эмульгирование и сублимационная сушка позволяют проводить более быстрое приготовление по сравнению с SCPL (поскольку он не требует длительной стадии выщелачивания), он все же требует использования растворителей. Кроме того, размер пор относительно невелик, а пористость часто бывает неравномерной. Сама по себе сублимационная сушка также является широко используемым методом изготовления каркасов. В частности, его используют для приготовления коллагеновых губок: коллаген растворяют в кислых растворах уксусной или соляной кислоты , которые заливают в форму, замораживают жидким азотом и затем лиофилизируют .

Термическое разделение фаз [ править ]

Подобно предыдущей методике, процедура разделения фаз TIPS требует использования растворителя с низкой температурой плавления, который легко сублимировать. Например, диоксан можно использовать для растворения полимолочной кислоты, затем фазовое разделение вызывается добавлением небольшого количества воды: образуется фаза с высоким содержанием полимера и фаза с низким содержанием полимера. После охлаждения ниже точки плавления растворителя и сушки в вакууме в течение нескольких дней для возгонки растворителя получают пористую основу. Разделение жидкой и жидкой фаз имеет те же недостатки, что и эмульгирование / сублимационная сушка. ^[45]

Электропрядение [ править ]

Электропрядение - это универсальная технология, с помощью которой можно производить непрерывные волокна диаметром от нескольких микрон до нескольких нанометров. В типичной установке электроспиннинга требуемый материал каркаса растворяют в растворителе и помещают в шприц. Этот раствор подается через иглу, и на наконечник и на проводящую собирающую поверхность подается высокое напряжение. Накопление электростатических сил внутри раствора заставляет его выбрасывать тонкую волокнистую струю к противоположно заряженной или заземленной собирающей поверхности. Во время этого процесса растворитель испаряется, оставляя твердые волокна, оставляя очень пористую сетку. Этот метод легко настраивается, в зависимости от растворителя, напряжения, рабочего расстояния (расстояние от иглы до поверхности сбора), скорости потока раствора, концентрации растворенного вещества,и поверхность сбора. Это позволяет точно контролировать морфологию волокон.

Однако на коммерческом уровне из-за соображений масштабируемости одновременно задействовано 40, а иногда и 96 игл. Проблемами в таких установках являются: 1) поддержание вышеупомянутых переменных одинаково для всех игл и 2) образование «бусинок» в отдельных волокнах, которые мы, как инженеры, хотим иметь одинакового диаметра. Изменяя такие переменные, как расстояние до коллектора, величина приложенного напряжения или скорость потока раствора, исследователи могут кардинально изменить общую архитектуру каркаса.

Исторически исследования электропряденых волокнистых каркасов восходят, по крайней мере, к концу 1980-х годов, когда Саймон показал, что электроспиннинг может использоваться для производства волокнистых каркасов нано- и субмикронного масштаба из растворов полимеров, специально предназначенных для использования в качестве клеточных и тканевых субстратов in vitro . Это раннее использование электроспрядных решеток для культивирования клеток и тканевой инженерии показало, что различные типы клеток могут прилипать к поликарбонатным волокнам и размножаться на них. Было отмечено, что в отличие от уплощенной морфологии, обычно наблюдаемой в 2D-культуре, клетки, выращенные на электропряденых волокнах, демонстрируют более округлую трехмерную морфологию, обычно наблюдаемую в тканях in vivo . ^[46]

CAD / CAM технологии [ править ]

Поскольку большинство вышеперечисленных методов ограничены, когда дело доходит до контроля пористости и размера пор, компьютерная техника проектирования и производства была внедрена в тканевую инженерию. Во-первых, трехмерная структура проектируется с использованием программного обеспечения САПР. Пористость можно настроить с помощью алгоритмов в программном обеспечении. ^[47] Каркас затем реализуется с помощью струйной печати полимерных порошков или моделирования расплавленного расплава полимера. ^[48]

Исследование 2011 года, проведенное El-Ayoubi et al. исследовали «технику построения трехмерных графиков для производства ( биосовместимых и биоразлагаемых ) макропористых каркасов из поли-L-лактида с двумя разными размерами пор» путем изготовления твердых тел свободной формы (SSF) с помощью компьютерного проектирования (CAD), чтобы исследовать терапевтический суставной хрящ замена как «альтернатива традиционному восстановлению тканей». ^[49] Исследование показало, что чем меньше размер пор в сочетании с механической нагрузкой в ​​биореакторе (чтобы вызвать in vivo-подобные условия), тем выше жизнеспособность клеток с потенциальной терапевтической функциональностью за счет уменьшения времени восстановления и повышения эффективности трансплантата. ^[49]

Лазерная биопечать [ править ]

В исследовании 2012 года ^[50] Koch et al. фокусируется на том, можно ли использовать лазерную биопечать (LaBP) для построения многоклеточных трехмерных узоров в естественной матрице, а также на том, функционируют ли созданные конструкции и формируют ли они ткань. LaBP собирает небольшие объемы суспензий живых клеток в заданные шаблоны с высоким разрешением. ^[50] Исследование было успешным, исследователи предполагают, что «созданные тканевые конструкции могут быть использованы для тестирования in vivo путем имплантации их в модели на животных » (14). На момент проведения этого исследования была синтезирована только ткань кожи человека, хотя исследователи прогнозируют, что «путем интеграции других типов клеток (например, меланоцитов , шванновских клеток, клетки волосяного фолликула) в печатную клеточную конструкцию, поведение этих клеток в трехмерном микроокружении in vitro, аналогичное их естественному, может быть проанализировано ", что полезно для открытия лекарств и токсикологических исследований. ^[50]

Самособирающиеся рекомбинантные наномембраны из паучьего шелка [ править ]

Gustafsson et al. ^[51] продемонстрировали отдельно стоящие биоактивные мембраны площадью сантиметр, но толщиной всего 250 нм, которые были сформированы путем самосборки паучьего шелка на границе раздела водного раствора. Мембраны уникальным образом сочетают в себе наноразмерную толщину, биоразлагаемость, сверхвысокую деформацию и прочность, проницаемость для белков и способствуют быстрой адгезии и пролиферации клеток. Они продемонстрировали рост связного слоя кератиноцитов.

Способы сборки [ править ]

Постоянной проблемой тканевой инженерии являются ограничения на массовый транспорт. Сконструированные ткани обычно не имеют начального кровоснабжения, что затрудняет получение имплантированными клетками достаточного количества кислорода и питательных веществ для выживания или правильного функционирования.

Самостоятельная сборка [ править ]

Было показано, что методы самосборки являются многообещающими методами тканевой инженерии. Методы самосборки имеют то преимущество, что позволяют тканям развивать свой собственный внеклеточный матрикс, в результате чего ткань лучше воспроизводит биохимические и биомеханические свойства нативной ткани. Самособирающийся искусственный суставной хрящ был предложен Джерри Ху и Кириакосом А. Атанасиу в 2006 году ^[52], и применение этого процесса привело к созданию искусственного хряща, близкого к прочности нативной ткани. ^[53]Самосборка - это основная технология, позволяющая выращивать клетки в лаборатории и собирать их в трехмерные формы. Чтобы расщепить ткани на клетки, исследователи сначала должны растворить внеклеточный матрикс, который обычно связывает их вместе. Когда клетки изолированы, они должны образовывать сложные структуры, из которых состоят наши естественные ткани.

Сборка шаблона на основе жидкости [ править ]

Поверхность воздух-жидкость, созданная волнами Фарадея, исследуется в качестве шаблона для сборки биологических объектов для восходящей тканевой инженерии. Этот шаблон на жидкой основе можно динамически реконфигурировать за несколько секунд, и сборка на шаблоне может быть выполнена масштабируемым и параллельным образом. Была продемонстрирована сборка микромасштабных гидрогелей, клеток, бусинок микроносителей с засеянными нейронами, клеточных сфероидов в различные симметричные и периодические структуры с хорошей жизнеспособностью клеток. Формирование трехмерной нейронной сети было достигнуто после 14-дневного культивирования ткани. ^[54]

Аддитивное производство [ править ]

Возможно, удастся напечатать органы или, возможно, целые организмы, используя методы аддитивного производства . В новейшем инновационном методе конструирования используется струйный механизм для печати точных слоев клеток в матрице из термообратимого геля. Эндотелиальные клетки, клетки, выстилающие кровеносные сосуды, напечатаны в виде набора колец, уложенных друг на друга. При инкубации они сливались в пробирку. ^{[48] [55]} Этот метод получил название «биопечать» в полевых условиях, поскольку он включает в себя печать биологических компонентов в структуре, напоминающей фокусирующий орган.

Область трехмерных и высокоточных моделей биологических систем впервые появилась благодаря многочисленным проектам и технологиям, включая быстрый метод создания тканей и даже целых органов с использованием 3D-принтера, который может биопечать каркасов и клеток слой за слоем в рабочий образец ткани. или орган. Устройство представлено в выступлении на TED доктором Энтони Атала, доктором медицины, директором Института регенеративной медицины Уэйк Форест , и профессором WH Boyce и заведующим кафедрой урологии Университета Уэйк Форест, на котором изображена почка. сцену во время семинара, а затем представили публике. ^{[56] [57] [58]}Ожидается, что эта технология позволит в будущем получать печень для трансплантации, а также теоретически для токсикологии и других биологических исследований.

Недавно многофотонная обработка (MPP) была использована для экспериментов in vivo при создании искусственных хрящевых конструкций. Гистологическое исследование ex vivo показало, что определенная геометрия пор и предварительный рост хондроцитов (Cho) до имплантации значительно улучшает характеристики созданных трехмерных каркасов. Достигнутая биосовместимость была сопоставима с коммерчески доступными коллагеновыми мембранами. Успешный результат этого исследования поддерживает идею о том, что гибридные органо-неорганические микроструктурированные каркасы с гексагональной порой в сочетании с засеванием Cho могут быть успешно применены для инженерии хрящевой ткани. ^[59]

Строительные леса [ править ]

В 2013 году с использованием трехмерных каркасов из матригеля в различных конфигурациях in vitro были получены существенные органоиды поджелудочной железы . Кластеры из небольшого количества клеток пролиферировали до 40 000 клеток в течение одной недели. Кластеры трансформируются в клетки, которые производят пищеварительные ферменты или гормоны, такие как инсулин , самоорганизующиеся в разветвленные органоиды поджелудочной железы, напоминающие поджелудочную железу. ^[60]

Клетки чувствительны к окружающей среде, например к жесткости геля и контакту с другими клетками. Отдельные клетки не процветают; для последующего развития органоидов требовалось минимум четыре ближайших клетки. При модификации состава среды образуются либо полые сферы, состоящие в основном из предшественников поджелудочной железы, либо сложные органоиды, которые спонтанно подвергаются морфогенезу и дифференцировке поджелудочной железы. Поддержание и распространение предшественников поджелудочной железы требует активной передачи сигналов Notch и FGF , повторяя взаимодействия передачи сигналов ниши in vivo. ^[61]

Органоиды рассматривались как потенциально предлагающие мини-органы для тестирования на наркотики и для запасных инсулин-продуцирующих клеток. ^[60]

Помимо каркасов Matrigel 3-D, были разработаны другие системы коллагеновых гелей. Каркасы из коллагена / гиалуроновой кислоты использовались для моделирования молочной железы in vitro при совместном культивировании эпителиальных и адипоцитарных клеток. Набор HyStem - это еще одна трехмерная платформа, содержащая компоненты ECM и гиалуроновую кислоту, которая использовалась для исследований рака. Кроме того, составляющие гидрогеля можно химически модифицировать, чтобы способствовать сшиванию и улучшать их механические свойства.

Культура тканей [ править ]

Во многих случаях создание функциональных тканей и биологических структур in vitro требует обширного культивирования, чтобы способствовать выживанию, росту и стимулированию функциональности. В целом, в культуре необходимо поддерживать основные потребности клеток, которые включают кислород , pH , влажность , температуру , питательные вещества и поддержание осмотического давления .

Тканевые культуры также создают дополнительные проблемы в поддержании условий культивирования. В стандартной культуре клеток диффузия часто является единственным средством транспорта питательных веществ и метаболитов. Однако по мере того, как культура становится больше и сложнее, как в случае с искусственно созданными органами и целыми тканями, для поддержания культуры должны использоваться другие механизмы, такие как создание капиллярных сетей внутри ткани.

Еще одна проблема с культурой тканей - это введение соответствующих факторов или стимулов, необходимых для стимулирования функциональности. Во многих случаях простой культуры обслуживания недостаточно. Иногда требуются факторы роста , гормоны , определенные метаболиты или питательные вещества, химические и физические стимулы. Например, некоторые клетки, такие как хондроциты , реагируют на изменения напряжения кислорода как часть своего нормального развития, должны адаптироваться к условиям с низким содержанием кислорода или гипоксии во время развития скелета. Другие, такие как эндотелиальные клетки, реагируют на напряжение сдвига от потока жидкости, которое встречается в кровеносных сосудах.. Механические стимулы, такие как импульсы давления, по-видимому, полезны для всех видов сердечно-сосудистой ткани, например сердечных клапанов, кровеносных сосудов или перикарда.

Биореакторы [ править ]

В тканевой инженерии биореактор - это устройство, которое пытается имитировать физиологическую среду, чтобы способствовать росту клеток или тканей in vitro. Физиологическая среда может состоять из множества различных параметров, таких как температура, давление, концентрация кислорода или углекислого газа или осмоляльность жидкой среды, и может распространяться на все виды биологических, химических или механических стимулов. Следовательно, существуют системы, которые могут включать приложение сил, таких как электромагнитные силы, механическое давление или давление жидкости, к ткани. Эти системы могут быть двух- или трехмерными. Биореакторы можно использовать как в академических, так и в промышленных целях. Биореакторы общего и специального назначения также коммерчески доступны.которые могут обеспечивать статическую химическую стимуляцию или комбинацию химической и механической стимуляции.

На пролиферацию и дифференцировку клеток в значительной степени влияют механические ^[62] и биохимические ^[63] сигналы в окружающей среде внеклеточного матрикса . Биореакторы обычно разрабатываются для воспроизведения специфической физиологической среды выращиваемой ткани (например, сгибание и сдвиг жидкости для роста сердечной ткани). ^[64] Это может позволить специализированным клеточным линиям процветать в культурах, воспроизводящих их естественную среду, но также делает биореакторы привлекательными инструментами для культивирования стволовых клеток.. Успешный биореактор на основе стволовых клеток эффективен для размножения стволовых клеток с одинаковыми свойствами и / или стимулирования контролируемой воспроизводимой дифференцировки в выбранные типы зрелых клеток. ^[65]

Существует множество биореакторов, предназначенных для трехмерных культур клеток. Существуют небольшие пластиковые цилиндрические камеры, а также стеклянные камеры с регулируемой внутренней влажностью и влажностью, специально разработанные для выращивания клеток в трех измерениях. ^[66] В биореакторе используются биоактивные синтетические материалы, такие как мембраны из полиэтилентерефталата, для окружения сфероидных клеток в среде, которая поддерживает высокий уровень питательных веществ. ^{[67] [68]} Их легко открывать и закрывать, так что клеточные сфероиды могут быть удалены для тестирования, но камера способна поддерживать 100% влажность повсюду. ^[69]Эта влажность важна для достижения максимального роста и функционирования клеток. Камера биореактора является частью большего устройства, которое вращается для обеспечения равного роста клеток в каждом направлении в трех измерениях. ^[69]

Компания QuinXell Technologies, ныне входящая в состав Quintech Life Sciences из Сингапура , разработала биореактор, известный как Biaxial Bioreactor TisXell, который специально разработан для тканевой инженерии. Это первый биореактор в мире, имеющий сферическую стеклянную камеру с двухосным вращением; специально для имитации вращения плода в утробе матери; который обеспечивает благоприятную среду для роста тканей. ^[70]

В одном биореакторе также объединены несколько форм механической стимуляции. Используя анализ экспрессии генов, одно академическое исследование показало, что применение комбинации циклической деформации и ультразвуковой стимуляции к преостеобластным клеткам в биореакторе ускоряет созревание и дифференцировку матрикса. ^[71] Технология этого комбинированного биореактора стимуляции может быть использована для более быстрого и эффективного роста костных клеток в будущих клинических методах лечения стволовыми клетками. ^[72]

MC2 Biotek также разработала биореактор, известный как ProtoTissue ^{[66], в} котором используется газообмен для поддержания высокого уровня кислорода в камере клетки; улучшение по сравнению с предыдущими биореакторами, так как более высокий уровень кислорода помогает клетке расти и проходить нормальное клеточное дыхание . ^[73]

Активные области исследований биореакторов включают увеличение масштабов производства и улучшение физиологической среды, что может повысить эффективность и действенность биореакторов в исследовательских или клинических целях. В настоящее время биореакторы используются, среди прочего, для изучения терапии на уровне клеток и тканей, реакции клеток и тканей на конкретные физиологические изменения окружающей среды, а также развития заболеваний и травм.

Генерация длинных волокон [ править ]

В 2013 году группа из Токийского университета разработала волокна, нагруженные клетками, длиной до метра и размером порядка 100  мкм . ^[74] Эти волокна были созданы с использованием микрожидкостного устройства, которое формирует двойной коаксиальный ламинарный поток. Каждый «слой» микрофлюидного устройства (клетки, засеянные в ECM , оболочка из гидрогеля и, наконец, раствор хлорида кальция). Посевные культуры клеток в гидрогелевой оболочке в течение нескольких дней, а затем оболочка удаляется с жизнеспособными клеточными волокнами. В ядро ​​ECM были вставлены различные типы клеток, включая миоциты , эндотелиальные клетки , волокна нервных клеток и эпителиальные клетки.волокна. Затем эта группа показала, что эти волокна могут быть сплетены вместе для изготовления тканей или органов по механизму, аналогичному текстильному ткачеству . Преимущество фиброзной морфологии состоит в том, что она является альтернативой традиционной конструкции каркаса, а многие органы (например, мышцы) состоят из фиброзных клеток.

Биоискусственные органы [ править ]

Тон или стиль этого раздела могут не отражать энциклопедический тон, используемый в Википедии . См. Рекомендации в руководстве Википедии по написанию лучших статей . ( Апрель 2014 г. ) ( Узнайте, как и когда удалить этот шаблон сообщения )

Искусственный орган - это сконструированное устройство, которое может быть экстракорпоральным или имплантированным для поддержки поврежденных или отказавших систем органов. ^[75] Биоискусственные органы обычно создаются с целью восстановления важнейших биологических функций, например, при замене больных сердца и легких, или для радикального улучшения качества жизни, например, при использовании искусственной кожи на пострадавших от ожогов. ^[75] В то время как некоторые образцы биоискусственных органов все еще находятся на стадии исследования из-за ограничений, связанных с созданием функциональных органов, другие в настоящее время используются в клинических условиях экспериментально и в коммерческих целях. ^[76]

Легкое [ править ]

Аппараты экстракорпоральной мембранной оксигенации (ЭКМО), также известные как аппараты сердца и легких, представляют собой адаптацию методов искусственного кровообращения , которые обеспечивают поддержку сердца и легких. ^[77] Он используется в первую очередь для поддержки легких в течение длительного, но все же временного периода (1–30 дней) и для восстановления после обратимых заболеваний. ^[77] Роберт Бартлетт известен как отец ЭКМО и провел первое лечение новорожденного с помощью аппарата EMCO в 1975 году. ^[78]

Кожа

Кожа с тканевой инженерией - это тип биоискусственного органа, который часто используется для лечения ожогов, диабетических язв стопы или других больших ран, которые не могут хорошо зажить сами по себе. Искусственная кожа может быть сделана из аутотрансплантатов, аллотрансплантатов и ксенотрансплантатов. Кожа с аутотрансплантатом происходит из собственной кожи пациента, что позволяет дерме быстрее заживать, а донорский участок можно повторно собрать несколько раз. Кожа аллотрансплантата часто образуется из кожи трупа и в основном используется для лечения жертв ожогов. Наконец, ксенотрансплантированная кожа поступает от животных и обеспечивает временную заживляющую структуру для кожи. Они способствуют регенерации дермы, но не могут стать частью кожи хозяина. ^[79]Кожа с тканевой инженерией теперь доступна в коммерческих продуктах. Интегра, первоначально использовавшаяся только для лечения ожогов, состоит из коллагеновой матрицы и хондроитинсульфата, которые можно использовать в качестве замены кожи. Хондроитинсульфат действует как компонент протеогликанов, который помогает формировать внеклеточный матрикс. ^[80] Интегра может быть повторно заселена и подвергнута реваскуляризации, сохраняя при этом ее структуру коллагена дермы, что делает ее биоискусственным органом. ^[81] Дермаграфт, еще один коммерческий продукт тканевой инженерии для кожи, состоит из живых фибробластов. Эти фибробласты размножаются и производят факторы роста, коллаген и белки ECM, которые помогают формировать грануляционную ткань. ^[82]

Сердце [ править ]

Поскольку количество пациентов, ожидающих трансплантации сердца, со временем постоянно увеличивается, а количество пациентов в листе ожидания превышает количество доступных органов ^[83], искусственные органы, используемые в качестве заместительной терапии при терминальной сердечной недостаточности, могут помочь облегчить эту трудность. Искусственное сердце обычно используется в качестве моста после трансплантации сердца или может применяться в качестве заместительной терапии при терминальной сердечной недостаточности. ^[84] Полное искусственное сердце (TAH), впервые представленное доктором Владимиром П. Демиховым в 1937 г. ^[85]возникла как идеальная альтернатива. С тех пор он был разработан и усовершенствован как механический насос, который обеспечивает долгосрочную поддержку кровообращения и заменяет больные или поврежденные желудочки сердца, которые не могут должным образом перекачивать кровь, восстанавливая, таким образом, легочный и системный кровоток. ^[86] Некоторые из текущих TAH включают AbioCor, одобренное FDA устройство, которое состоит из двух искусственных желудочков и их клапанов, не требует подкожных соединений и показано пациентам с бивентрикулярной сердечной недостаточностью. В 2010 году SynCardia выпустила портативный драйвер свободы, который позволяет пациентам иметь портативное устройство, не ограничиваясь больницей. ^[87]

Почки [ править ]

Хотя трансплантация почки возможна, почечная недостаточность чаще лечится с помощью искусственной почки. ^[88] Первые искусственные почки и большинство используемых в настоящее время являются экстракорпоральными, такими как гемодиализ, который фильтрует кровь напрямую, или перитонеальный диализ, который фильтруется через жидкость в брюшной полости. ^{[88] [89]} Чтобы внести свой вклад в биологические функции почек, такие как выработка метаболических факторов или гормонов, некоторые искусственные почки содержат почечные клетки. ^{[88] [89]} Достигнут прогресс в том, чтобы делать эти устройства меньше по размеру и более мобильными или даже имплантируемыми.. Одна проблема, с которой все еще предстоит столкнуться в этих небольших устройствах, - это противодействие ограниченному объему и, следовательно, ограниченным возможностям фильтрации. ^[88]

Биомиметика [ править ]

Тон или стиль этого раздела могут не отражать энциклопедический тон, используемый в Википедии . См. Рекомендации в руководстве Википедии по написанию лучших статей . ( Декабрь 2019 г. ) ( Узнайте, как и когда удалить этот шаблон сообщения )

Биомиметика - это область, которая направлена ​​на производство материалов и систем, воспроизводящих те, что присутствуют в природе. ^[90]В контексте тканевой инженерии это общий подход, используемый инженерами для создания материалов для этих приложений, которые сопоставимы с естественными тканями с точки зрения их структуры, свойств и биосовместимости. Свойства материала во многом зависят от физических, структурных и химических характеристик этого материала. Впоследствии биомиметический подход к проектированию системы станет важным в интеграции материалов, и потребуется достаточное понимание биологических процессов и взаимодействий. Репликация биологических систем и процессов также может быть использована при синтезе био-вдыхаемых материалов для достижения условий, которые производят желаемый биологический материал. Следовательно, если синтезируется материал, имеющий одинаковые характеристики биологических тканей как структурно, так и химически,тогда в идеале синтезированный материал будет иметь аналогичные свойства. Этот метод имеет обширную историю, восходящую к идее использования природных явлений в качестве источника вдохновения для решения человеческих проблем. Многие современные достижения в области технологий были вдохновлены природой и природными системами, включая самолеты, автомобили, архитектуру и даже промышленные системы. Достижения в области нанотехнологий инициировали применение этой техники в микро- иДостижения в области нанотехнологий инициировали применение этой техники в микро- иДостижения в области нанотехнологий инициировали применение этой техники в микро- ипроблемы наномасштаба , включая тканевую инженерию. Этот метод использовался для разработки синтетических костных тканей, сосудистых технологий, строительных материалов и методов интеграции, а также функционализированных наночастиц. ^[90]

Построение нейронных сетей в мягком материале [ править ]

В 2018 году ученые из Университета Брандейса сообщили о своем исследовании мягкого материала со встроенными химическими сетями, которые могут имитировать плавное и скоординированное поведение нервной ткани. Это исследование финансировалось Исследовательской лабораторией армии США . ^[91] Исследователи представили экспериментальную систему нейронных сетей, теоретически смоделированную как системы реакции-диффузии . Внутри сетей находился ряд реакторов, каждый из которых выполнял реакцию Белоусова-Жаботинского (БЖ). Эти реакторы могли работать в нанолитровом масштабе. ^[92]

Исследователи заявляют, что вдохновением для их проекта послужило движение голубого ленточного угря . Движения угря контролируются электрическими импульсами, определяемыми классом нейронных сетей, который называется центральным генератором паттернов . Генераторы центральных паттернов работают в вегетативной нервной системе для управления такими функциями организма, как дыхание, движение и перистальтика . ^[93]

Характеристики реактора, которые были спроектированы, включали топологию сети, граничные условия , начальные условия, объем реактора, силу связи и синаптическую полярность реактора (является ли его поведение тормозящим или возбуждающим). ^[93] Была разработана эмульсионная система BZ с твердым эластомером полидиметилсилоксаном (ПДМС). ПДМС, проницаемые как для света, так и для брома, считаются жизнеспособными методами создания кардиостимулятора для нейронных сетей. ^[92]

Рынок [ править ]

Историю рынка тканевой инженерии можно разделить на три основные части. Время до краха рынка биотехнологий в начале 2000-х, краха и время после него.

Начало [ править ]

Самый ранний прогресс в исследованиях тканевой инженерии был достигнут в США. Это связано с менее строгими правилами в отношении исследований стволовых клеток и более доступным финансированием, чем в других странах. Это приводит к созданию академических стартапов, многие из которых происходят из Гарварда или Массачусетского технологического института . Примерами являются BioHybridTechnologies, основатель которой Билл Чик учился в Гарвардской медицинской школе и сосредоточился на создании искусственной поджелудочной железы. Другим примером может служить компания Organogenesis Inc., основатель которой перешел в Массачусетский технологический институт и работал над продуктами для ухода за кожей. Другие компании, имеющие связи с Массачусетским технологическим институтом, - это TEI Biosciences, Therics и Guilford Pharmaceuticals. ^[7]Возобновление интереса к биотехнологиям в 1980-х годах приводит к тому, что многие частные инвесторы вкладывают средства в эти новые технологии, даже несмотря на то, что бизнес-модели этих ранних стартапов часто были не очень ясными и не открывали путь к долгосрочной прибыльности. ^[94] Государственные спонсоры были более сдержанными в своем финансировании, поскольку тканевая инженерия считалась вложением с высоким риском. ^[7]

В Великобритании рынок начал медленнее, хотя правила исследования стволовых клеток также не были строгими. Это происходит главным образом из-за того, что большее количество инвесторов менее склонно вкладывать средства в эти новые технологии, которые считались инвестициями с высоким риском. ^[94] Еще одна проблема, с которой столкнулись британские компании, заключалась в том, чтобы заставить NHS платить за их продукцию. Это особенно связано с тем, что NHS проводит анализ экономической эффективности всех поддерживаемых продуктов. Новые технологии часто не работают в этом отношении. ^[94]

В Японии ситуация с регулированием была совершенно иной. Первое культивирование клеток было разрешено только в условиях больницы, а вторым ученым, работающим в государственных университетах, не разрешалось работать по совместительству до 1998 года. Более того, японским властям потребовалось больше времени для утверждения новых лекарств и методов лечения, чем у американских и европейских коллег. ^[94]

По этим причинам в первые дни японского рынка основное внимание уделялось приобретению продуктов, которые уже были одобрены в других местах Японии, и их продаже. В отличие от рынка США первыми игроками в Японии были в основном крупные фирмы или дочерние компании таких крупных фирм, как J-TEC, Menicon и Terumo, а не небольшие стартапы. ^[94] После законодательных изменений в 2014 году, которые разрешили культивирование клеток вне больниц, скорость исследований в Японии увеличилась, и японские компании также начали разрабатывать свои собственные продукты. ^[94]

Японские компании, такие как ReproCell и iPS Academia Japan, в настоящее время работают над продуктами, связанными с iPS-клетками . ^[94]

Сбой [ править ]

Вскоре после большого бума начали появляться первые проблемы. Были проблемы с получением продуктов, одобренных FDA, и, если они были одобрены, часто возникали трудности с привлечением страховых компаний к оплате продуктов и с принятием их поставщиками медицинских услуг. ^{[94] [95]}

Например, органогенез столкнулся с проблемами, связанными с маркетингом своего продукта и его интеграцией в систему здравоохранения. Частично это связано с трудностями обращения с живыми клетками и возросшими трудностями, с которыми сталкиваются врачи при использовании этих продуктов по сравнению с обычными методами. ^[94]

Другим примером может быть продукт для кожи Advanced Tissue Sciences Dermagraft, который не может создать достаточно высокий спрос без возмещения со стороны страховых компаний. Причиной этого была цена в 4000 долларов и то обстоятельство, что компания Additional Advanced Tissue Sciences изо всех сил пыталась сделать свой продукт известным врачам. ^[94]

Приведенные выше примеры демонстрируют, как компании пытались получить прибыль. Это, в свою очередь, приводит к тому, что инвесторы теряют терпение и прекращают дальнейшее финансирование. В результате в начале 2000-х годов несколько компаний по тканевой инженерии, такие как Organogenesis и Advanced Tissue Sciences, объявили о банкротстве. В то время это были единственные компании, у которых на рынке были коммерческие продукты для кожи. ^[95]

Возрождение [ править ]

Технологии обанкротившихся или находящихся в затруднительном положении компаний часто покупались другими компаниями, которые продолжали развиваться в рамках более консервативных бизнес-моделей. ^[95] Примерами компаний, которые продавали свою продукцию после складывания, были Curis ^[95] и Intercytex. ^[94]

Многие компании отказались от своих долгосрочных целей по разработке полностью функциональных органов в пользу продуктов и технологий, которые могли бы принести прибыль в краткосрочной перспективе. ^[94] Примерами таких продуктов являются продукты косметической и тестовой промышленности.

В других случаях, например, в случае Advanced Tissue Sciences, основатели открывали новые компании. ^[94]

В 2010-х годах нормативно-правовая база также начала способствовать более быстрому выходу на рынок, особенно в США, поскольку FDA создало новые центры и пути, специально нацеленные на продукты, полученные из живых клеток, такие как Центр оценки и исследований биопрепаратов . ^[94]

Первые продукты тканевой инженерии начали получать коммерческую прибыль в 2010-х годах. ^[95]

Регламент [ править ]

В Европе регулирование в настоящее время разделено на три области регулирования: медицинские устройства , лекарственные препараты и биопрепараты . Продукты тканевой инженерии часто имеют гибридную природу, поскольку они часто состоят из клеток и поддерживающей структуры. В то время как некоторые продукты могут быть одобрены как лекарственные средства, другие должны получить одобрение как медицинские устройства. ^[96] Дерксен объясняет в своем тезисе, что исследователи тканевой инженерии иногда сталкиваются с правилами, которые не соответствуют характеристикам тканевой инженерии. ^[97]

В Европе наблюдаются новые режимы регулирования, которые решают эти вопросы. ^[98] Объяснение трудностей в достижении консенсуса регулирующих органов по этому вопросу дается в исследовании, проведенном в Великобритании. ^[96] Авторы объясняют эти проблемы тесной взаимосвязью и пересечением с другими технологиями, такими как ксенотрансплантация . Поэтому регулирующие органы не могут заниматься этим отдельно. ^[96] Регулирование дополнительно осложняется этическими противоречиями, связанными с этой и смежными областями исследований (например, противоречие стволовых клеток , этика трансплантации органов ). Тот же обзор, что и упомянутый выше ^[96] показывает на примере трансплантации аутологичного хряща, что конкретная технология может рассматриваться как «чистая» или «загрязненная» одним и тем же социальным субъектом.

Два регуляторных движения наиболее актуальны для тканевой инженерии в Европейском Союзе . Это Директива о стандартах качества и безопасности для источников и обработки человеческих тканей ^[99], которая была принята Европейским парламентом в 2004 году, а также предлагаемый регламент о клетках и продуктах, созданных из тканей человека . Последний был разработан под руководством Генерального директора по предприятиям Европейской комиссии и представлен в Брюсселе в 2004 году ^[100].

См. Также [ править ]

^[101]

Заметки [ править ]

Ссылки [ править ]

Внешние ссылки [ править ]

Викискладе есть медиафайлы по теме тканевой инженерии .

• Центр клинической тканевой инженерии Инициатива по тканевой инженерии штата Огайо (Национальный центр регенеративной медицины)
• Многопрофильная инициатива по печати органов, финансируемая NSF
• LOEX Center Université Laval Initiative for Tissue Engineering (Инициатива тканевой инженерии)