Тканевая инженерия - Tissue engineering

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 биомедицинская инженерия дисциплина, использующая сочетание клетки, инженерное дело, материалы методы и подходящие биохимический и физико-химические факторы для восстановления, поддержания, улучшения или замены различных типов биологический ткани. Тканевая инженерия часто включает использование клеток, помещенных на тканевые каркасы в формировании новой жизнеспособной ткани для медицинских целей, но не ограничивается применениями с участием клеток и тканевых каркасов. Когда-то он был отнесен к подполе биоматериалы, увеличив масштабы и важность, она может рассматриваться как отдельная область.

Воспроизвести медиа

Что такое тканевая инженерия и как она работает

Хотя большинство определений тканевой инженерии охватывает широкий спектр приложений, на практике этот термин тесно связан с приложениями, которые восстанавливают или заменяют части или целые ткани (т. Е. кость, хрящ,^[1] кровеносный сосуд, мочевой пузырь, кожа, мышца так далее.). Часто вовлеченные ткани требуют определенных механических и структурных свойств для правильного функционирования. Этот термин также применялся к усилиям по выполнению определенных биохимических функций с использованием клетки внутри искусственно созданной системы поддержки (например, искусственная поджелудочная железа, или био искусственная печень ). Период, термин регенеративная медицина часто используется как синоним тканевой инженерии, хотя те, кто занимается регенеративная медицина уделять больше внимания использованию стволовые клетки или же клетки-предшественники для производства тканей.

Обзор

Микромассовые культуры клеток C3H-10T1 / 2 при различном давлении кислорода, окрашенные Альцианский синий

Обычно применяемое определение тканевой инженерии, как указано Лангер^[2] и Vacanti,^[3] является междисциплинарный область, которая применяет принципы инженерии и наук о жизни к разработке биологических заменителей, которые восстанавливают, поддерживают или улучшают функцию [биологической ткани] 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 всего сущего». принципы роста тканей и их применение для производства функциональной замещающей ткани для клинического использования ».^[5] В дальнейшем описании говорится, что «основная гипотеза 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 междисциплинарной области тканевой инженерии привели к появлению нового набора частей для замены тканей и стратегий их реализации. Научные достижения в биоматериалы, стволовые клетки, рост и факторы дифференциации, и биомиметик Среда создала 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. Непрерывный успех тканевой инженерии и, в конечном итоге, разработка настоящих запасных частей для человека будет происходить из конвергенции инженерных и фундаментальных исследований в области тканей, матрицы, фактора роста, стволовых клеток и биологии развития, а также материаловедения и биоинформатики.

В 2003 г. NSF опубликовал отчет, озаглавленный «Появление тканевой инженерии как области исследований», в котором дается подробное описание истории этой области.^[6]

Этимология

Историческое происхождение 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 материала. офтальмологический протез ^[7]

Первое современное использование этого термина в том виде, в каком оно признано сегодня, было сделано в 1985 году исследователем, физиологом и биоинженером Я. К. Фунгом из Центра инженерных исследований. Он предложил объединить условия ткань (в отношении фундаментальных отношений между клетками и органами) и инженерное дело (применительно к области модификации указанных тканей). Термин был официально принят в 1987 году.^[7]

История

Древняя эра (до 17 века)

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 швы. 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, и зубные имплантаты можно было найти у древних майя. Просвещение (17-19 века) Хотя эти древние общества разработали методы, которые намного опередили свое время, они 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 течение 19 века лучшее понимание того, как различные металлы взаимодействуют с телом, привело к разработке более совершенных швов и переходу на винтовые и пластинчатые имплантаты для 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 эпоха (20-е и 21-е века)

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 допускают 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 наблюдать за развитием микротехнологий 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, преобразовав 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 напечатали сфероиды без каркасов, трехмерная биопечать стали более широко использоваться в медицине, чем когда-либо прежде. На данный момент ученым удалось напечатать мини-органоиды и органы на микросхемах, которые позволили получить практическое представление о функциях человеческого тела. Фармацевтические компании используют эти модели для тестирования лекарств, прежде чем перейти 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. 3D-отпечатанные ткани по-прежнему сталкиваются со многими проблемами, такими 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

Восстановление человеческого уха с помощью каркаса

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

• Мясо in vitro: Культивирование съедобной искусственной мышечной ткани животных. in vitro.
• Устройство биоискусственной печени, «Временная печень», Устройство для экстракорпоральной помощи печени (ELAD): Человек гепатоцит клеточная линия (линия C3A) в полом волокне биореактор 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: Исследование предполагает использование островковые клетки для регулирования уровня сахара в крови, особенно в случаях сахарный диабет . Биохимические факторы могут быть использованы для того, чтобы заставить плюрипотентные стволовые клетки человека дифференцироваться (превратиться в) клетки, которые функционируют аналогично бета-клетки, которые находятся в островковая клетка отвечает за производство инсулин.
• Искусственный мочевой пузырь: Энтони Атала^[8] (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 исследования. длительный эксперимент.^[9]
• Хрящ: выращенный в лаборатории хрящ, культивированный in vitro на эшафоте, успешно использовался как аутологичный трансплантат для восстановления колен пациентов.^[10]
• Хрящ без каркаса: хрящ, образованный без использования экзогенного материала каркаса. В этой методологии весь материал в конструкции является клеточным, продуцируемым непосредственно клетками.^[11]
• биоискусственное сердце: Дорис Тейлор лаборатория построила биосовместимый сердце крысы путем повторной клеточности бесклеточного сердца крысы. Этот каркас и клетки были помещены в биореактор, где он созрел, чтобы стать частично или полностью трансплантируемым органом.^[12] произведение было названо «знаковым». Лаборатория сначала удалила клетки из сердца крысы (процесс, называемый «децеллюляризация»), а затем ввела крысиные стволовые клетки в децеллюляризованное сердце крысы.^[13]
• Тканевая инженерия дыхательные пути: Донорская трахея была успешно децеллюляризована и рецеллюляризована с аутологичный клетки и пересаживают реципиенту.^[14]
• Тканевые кровеносные сосуды:^[15] Кровеносные сосуды, которые были выращены в лаборатории и могут использоваться для восстановления поврежденных кровеносных сосудов, не вызывая иммунная реакция.
• Искусственная кожа построены из клеток кожи человека, встроенных в гидрогель, например, в случае конструкций с биопечатью для ремонта ожогов на поле боя.^[16]
• Искусственный Костный мозг: Костный мозг культивирован in vitro возможность трансплантации служит подходом «только клетки» к тканевой инженерии.^[17]
• Тканевая инженерия костей: структурная матрица может состоять из металлов, таких как титан, полимеров с разной степенью разложения или определенных типов керамики.^[18] Материалы часто выбирают для набирать остеобласты чтобы помочь в реформировании кости и возвращении биологической функции. Различные типы ячеек могут быть добавлены непосредственно в матрицу для ускорения процесса.^[18]
• Пенис, выращенный в лаборатории: Децеллюляризованные каркасы пенисов кролика были рецеллюляризованы гладкими мышцами и эндотелиальными клетками. Затем этот орган был трансплантирован живым кроликам и функционировал аналогично нативному органу, что позволяет предположить его потенциал для лечения генитальная травма.^[19]
• Тканевая инженерия слизистой оболочки полости рта использует подход клеток и каркаса для воспроизведения трехмерной структуры и функции слизистая оболочка рта.

Клетки как строительные блоки

Окрашенные клетки в культуре

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.^[20], 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.^[21]. Манипуляции с любым из этих клеточных процессов создают альтернативные пути для развития новой ткани (например, перепрограммирование соматических клеток, васкуляризация).

Изоляция

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

Мышь эмбриональный стволовые клетки

Первичные клетки те, которые непосредственно изолированы от ткани хозяина. Эти клетки обеспечивают ex-vivo модель клеточного поведения без каких-либо генетических, эпигенетических изменений или изменений, связанных с развитием; что делает их более близкими к воспроизведению условий in vivo, чем клетки, полученные другими методами.^[22] 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.^[23]

Вторичные клетки Часть клеток из первичной культуры перемещается в новый репозиторий / сосуд для продолжения культивирования. Среду из первичной культуры удаляют, клетки, которые требуется перенести, получают, а затем культивируют в новом сосуде со свежей питательной средой.^[24] Вторичная клеточная культура полезна, чтобы гарантировать, что у клеток есть как пространство, так и питательные вещества, необходимые для роста. Вторичные культуры наиболее заметно 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 контаминации при переносе в новый сосуд.

Генетические классификации клеток

Аутологичный: донор и реципиент 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 нацелена на них для атаки. Зависимость аутологичных клеток от здоровья клеток-хозяев и заболеваемости донорских участков может сдерживать их использование. Мезенхимальные стволовые клетки, полученные из жировой ткани и костного мозга, обычно являются аутологичными по своей природе и могут использоваться множеством способов, от восстановления скелетной ткани до пополнения бета-клеток у пациентов с диабетом.^{[25][26][27][28]}

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 в тканях человеческого мозга ^[29]), 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.^[30]

Сингенные или изогенные: эти клетки описывают те, которые произошли от идентичного генетического кода. Это дает иммунологический эффект, аналогичный аутологичным клеточным линиям (см. Выше).^[31] Аутологичные клетки можно считать сингенными, но классификация также распространяется на клетки, полученные неутологически, например, от однояйцевых близнецов, генетически идентичных (клонированных) исследовательских моделей или индуцированные стволовые клетки (iSC) ^[32] что касается донора.

Стволовые клетки

Стволовые клетки представляют собой 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 еще один альтернативный источник - индуцированные плюрипотентные стволовые клетки —Может быть полезен для восстановления больных или поврежденных тканей или может быть использован для выращивания новых органов.

Тотипотент клетки представляют собой стволовые клетки, которые могут делиться на другие стволовые клетки или дифференцироваться в клетки любого типа в организме, включая внеэмбриональную ткань.

Плюрипотентный 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.^{[нужна цитата ]}

Мультипотентный стволовые клетки можно дифференцировать в любую клетку того же класса, например кровь или же кость. Типичный пример мультипотентных клеток: Мезенхимальные стволовые клетки (МСК).

Строительные леса

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 трехмерный формирование ткани. Каркасы имитируют внеклеточный матрикс нативной ткани, повторяя in vivo среды и позволяя клеткам влиять на их 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 команда под руководством торакального хирурга Торстен Валлес имплантировал первый биоискусственный трансплантат, который обеспечивает врожденную сосудистую сеть для подачи трансплантата после трансплантации, успешно пациенту, ожидающему реконструкции трахеи.^[33]

Эта анимация вращающегося углеродная нанотрубка показывает его трехмерную структуру. Углеродные нанотрубки являются одними из многочисленных кандидатов на роль каркасов тканевой инженерии, поскольку они биосовместимый, устойчивы к биоразложение и может быть функционализирован с помощью биомолекулы. Однако возможность токсичности небиоразлагаемых наноматериалов до конца не изучена.^[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. Биоразлагаемость часто является важным фактором, поскольку 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 свою 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

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.^[35] Силикон, например, представляет собой синтетический, не поддающийся биологическому разложению материал, обычно используемый в качестве материала для доставки лекарств.^[36][37] в то время как желатин представляет собой биоразлагаемый природный материал, обычно используемый в каркасах для клеточных культур.^[38][39][40]

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.^[41]

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 полиэстер, который разлагается в организме человека с образованием молочная кислота, химическое вещество естественного происхождения, которое легко выводится из организма. Подобные материалы есть полигликолевая кислота (PGA) и поликапролактон (PCL): их механизм деградации аналогичен механизму разложения PLA, но PCL деградирует медленнее, а PGA деградирует быстрее.^[42] PLA обычно комбинируют с PGA для создания сополимера молочной и гликолевой кислоты (PLGA). Это особенно полезно, потому что деградацию PLGA можно регулировать путем изменения массовых процентов PLA и PGA: больше PLA - медленнее деградация, больше PLA - более высокая деградация. Эта возможность настройки, наряду с его биосовместимостью, делает его чрезвычайно полезным материалом для создания каркасов.^[43]

Строительные леса также могут быть изготовлены из натуральных материалов: в частности, из различных производных внеклеточный матрикс были изучены для оценки их способности поддерживать рост клеток. Материалы на основе белка, такие как коллаген или фибрин, и полисахаридные материалы, такие как хитозан^[44] или же гликозаминогликаны (GAG), оказались подходящими с точки зрения совместимости сот. Среди ГАГов, гиалуроновая кислота, возможно, в сочетании со сшивающими агентами (например, глутаральдегид, водорастворимый карбодиимид и 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 имеет то преимущество, что матрица неправильной формы, специфичная для желаемого типа ткани. Однако децеллюризованный каркас может создавать иммунные проблемы с будущими введенными клетками.

Синтез

Тканево-инженерный сосудистый трансплантат

Сердечный клапан тканевой инженерии

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

Молекулярная самосборка - один из немногих методов создания биоматериалов со свойствами, аналогичными по масштабу и химическому составу естественным. in vivo внеклеточный матрикс (ЕСМ), важный шаг на пути к тканевой инженерии сложных тканей.^[45] Более того, эти гидрогелевые каркасы продемонстрировали превосходство в токсикологии и биосовместимости in vivo по сравнению с традиционными макрошкаффолдами и материалами животного происхождения.

Текстильные технологии

Эти методы включают в себя все подходы, которые успешно применялись для приготовления нетканые сетки разных полимеры. В частности, нетканые полигликолид 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 высоких пористость и нормальный размер пор.

Литье в растворитель и выщелачивание твердых частиц

Литье в растворитель и выщелачивание твердых частиц (SCPL) позволяет изготавливать структуры с постоянной пористостью, но с ограниченной толщиной. Сначала полимер растворяют в подходящем органическом растворителе (например, полимолочная кислота может быть растворен в дихлорметан ), затем раствор выливается в форму, заполненную частицами порогена. Такой пороген может быть неорганической солью, такой как хлорид натрия, кристаллы сахароза, желатин сферы 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 заливки раствора полимера 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 растворитель как гексан для 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

Чтобы избавиться от необходимости использовать органические растворители и твердые порогены, была разработана технология с использованием газа в качестве порогена. Сначала изготавливаются дискообразные конструкции из желаемого полимера посредством формования под давлением с использованием нагретой формы.Затем диски помещаются в камеру, где они подвергаются воздействию высокого давления. CO₂ на несколько дней. Давление внутри камеры постепенно восстанавливается до атмосферного. Во время этой процедуры поры образуются молекулами углекислого газа, которые покидают полимер, что приводит к образованию губчатой ​​структуры. 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

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, чтобы получить эмульсия. Прежде чем две фазы смогут разделиться, эмульсия выливается в форму и быстро замораживается путем погружения в нее. жидкий азот. Затем замороженная эмульсия лиофилизированный 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 применяемой техникой для изготовления каркасов. В частности, его используют для приготовления коллагеновых губок: коллаген растворяется в кислых растворах уксусная кислота или же соляная кислота которые отливают в форму, замораживают жидким азотом, а затем лиофилизированный.

Термическое разделение фаз

Подобно предыдущей методике, процедура разделения фаз TIPS требует использования растворителя с низкой температурой плавления, который легко сублимировать. Например, диоксан может использоваться для растворения полимолочной кислоты, тогда разделение фаз вызывается добавлением небольшого количества воды: образуются фазы с высоким содержанием полимера и с низким содержанием полимера. После охлаждения ниже точки плавления растворителя и сушки в вакууме в течение нескольких дней для сублимации растворителя получают пористую основу. Разделение жидкой и жидкой фаз имеет те же недостатки, что и эмульгирование / сублимационная сушка.^[46]

Электропрядение

Электропрядение - это универсальная технология, с помощью которой можно производить непрерывные волокна диаметром от нескольких микрон до нескольких нанометров. В типичной установке для электропрядения желаемый 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 (расстояния от иглы до поверхности сбора), скорости потока раствора, концентрации растворенного вещества и поверхности сбора. Это позволяет точно контролировать морфологию волокон.

На коммерческий однако из-за масштабируемости одновременно задействовано 40, а иногда 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, величину 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 полимерных растворов, специально предназначенных для использования в качестве in vitro клеточные и тканевые субстраты. Это раннее использование электроспрядных решеток для культивирования клеток и тканевой инженерии показало, что различные типы клеток будут 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 у тканей. in vivo.^[47]

CAD / CAM технологии

Поскольку большинство из вышеперечисленных методов ограничены, когда дело доходит до контроля пористости и размера пор, компьютерный дизайн и производство были введены методы тканевой инженерии. Во-первых, с помощью программного обеспечения CAD создается трехмерная структура. Пористость можно настроить с помощью алгоритмов в программном обеспечении.^[48] Каркас затем реализуется с помощью струйной печати полимерных порошков или сквозной печати. Моделирование наплавленного осаждения полимерного расплава.^[49]

Исследование 2011 года, проведенное Эль-Аюби и др. исследовал "Технику 3D-черчения для получения (биосовместимый и биоразлагаемый ) макропористые каркасы из поли-L-лактида с двумя разными размерами пор "путем изготовления твердых тел произвольной формы (SSF) с помощью компьютерного проектирования (CAD), чтобы исследовать терапевтические суставной хрящ замена как «альтернатива традиционному восстановлению тканей».^[50] Исследование показало, что чем меньше размер пор в сочетании с механическим напряжением в биореакторе (для создания условий, подобных in vivo), тем выше жизнеспособность клеток с точки зрения потенциальной терапевтической функциональности за счет уменьшения времени восстановления и повышения эффективности трансплантата.^[50]

Лазерная биопечать

В исследовании 2012 г.^[51] 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.^[51] Исследование прошло успешно, исследователи предвидят, что «созданные тканевые конструкции могут быть использованы для in vivo тестирование путем имплантации их в животные модели "(14). На момент настоящего исследования была синтезирована только ткань кожи человека, хотя исследователи прогнозируют это" путем интеграции других типов клеток (например, меланоциты, Шванновские клетки, клетки волосяного фолликула) в печатную клеточную конструкцию, поведение этих клеток в 3D in vitro микросреда аналогично их естественному, можно проанализировать ", что полезно для открытия лекарств и токсикология исследования.^[51]

Самособирающиеся рекомбинантные наномембраны паучьего шелка

Gustafsson et al.^[52] 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 быстрому прикреплению и размножению клеток. Они продемонстрировали рост связного слоя кератиноцитов.

Способы сборки

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

Методы самосборки оказались 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 представлен Джерри Ху и Кириакос А. Афанасиу в 2006 г.^[53] и применение этого процесса привело к созданию искусственного хряща, приближающегося к прочности нативной ткани.^[54] 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 жидкой основе

Поверхность воздух-жидкость, установленная Волны Фарадея исследуется как шаблон 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 способом. 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.^[55]

Производство добавок

Можно напечатать органы или целые организмы, используя производство добавок техники. В новом 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. При инкубации они сливались в пробирку.^[49][56] Этот метод получил название «биопечать» в данной области, поскольку он включает 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 наносить биопечать каркаса и клеток слой за слоем в рабочий образец ткани. или орган. Устройство представлено в Выступление на TED доктора Энтони Атала, доктора медицины, директора Wake Forest Институт Регенеративная медицина, и W.H. Бойс, профессор и заведующий кафедрой Урология в университете Уэйк Форест, где почка печатается на сцене во время семинара, а затем преподносится публике.^[57][58][59] Ожидается, что эта технология позволит в будущем производить печень для трансплантации и теоретически для токсикология а также другие биологические исследования.

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 в форме гексагональных пор в сочетании с засеванием Cho могут быть успешно применены для инженерии хрящевой ткани.^[60]

Строительные леса

В 2013 году с помощью 3-х мерных лесов из Матригель в различных конфигурациях, значительный панкреатический органоиды был произведен in vitro. Кластеры небольшого количества клеток пролиферировали до 40 000 клеток в течение одной недели. Кластеры превращаются в клетки, способствующие пищеварению. ферменты или же гормоны подобно инсулин, самоорганизующиеся в разветвленные органоиды поджелудочной железы, которые напоминают поджелудочную железу.^[61]

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 полые сферы, состоящие в основном из предшественников поджелудочной железы, или сложные органоиды, которые спонтанно подвергаются морфогенезу и дифференцировке поджелудочной железы. Поддержание и распространение предшественников поджелудочной железы требует активного Notch и FGF передача сигналов, повторение сигнальных взаимодействий в нише in vivo.^[62]

Органоиды рассматривались как потенциально предлагающие мини-органы для тестирования на наркотики и для запасных инсулин-продуцирующих клеток.^[61]

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.

Тканевая культура

Во многих случаях создание функциональных тканей и биологических структур in vitro требует обширных культивирование для обеспечения выживания, роста и повышения функциональности. В целом, в культуре необходимо поддерживать основные требования к клеткам, которые включают: кислород, pH, влажность, температура, питательные вещества и осмотическое давление поддержание.

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

Биореактор для выращивания сосудистых трансплантатов

Еще одна проблема с культурой тканей - это введение соответствующих факторов или стимулов, необходимых для стимулирования функциональности. Во многих случаях простой культуры обслуживания недостаточно. Факторы роста, гормоны иногда требуются определенные метаболиты или питательные вещества, химические и физические раздражители. Например, определенные клетки реагируют на изменения напряжения кислорода как часть своего нормального развития, например хондроциты, которые должны адаптироваться к условиям с низким содержанием кислорода или гипоксия во время развития скелета. Другие, например, эндотелиальные клетки, реагируют на напряжение сдвига от потока жидкости, который встречается в кровеносный сосуд. Механические стимулы, такие как импульсы давления, по-видимому, полезны для всех видов сердечно-сосудистой ткани, такой как сердечные клапаны, кровеносные сосуды или перикард.

Биореакторы

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 осмолярность 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. Также коммерчески доступны биореакторы общего и специального назначения, которые могут обеспечивать статическую химическую стимуляцию или комбинацию химической и механической стимуляции.

Клетка распространение и дифференциация в значительной степени зависят от механических^[63] и биохимический^[64] подсказки в окружении внеклеточный матрикс среда. Биореакторы обычно разрабатывают для воспроизведения конкретной физиологической среды выращиваемой ткани (например, сгибание и сдвиг жидкости для роста ткани сердца).^[65] Это может позволить специализированным клеточным линиям процветать в культурах, воспроизводящих их естественную среду, но также делает биореакторы привлекательными инструментами для культивирования. стволовые клетки. 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.^[66]

Есть множество биореакторы разработан 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.^[67] В биореакторе используется биоактивный синтетические материалы, такие как полиэтилентерефталат мембраны, окружающие сфероидные клетки в среде, поддерживающей высокий уровень питательных веществ.^[68][69] Их легко открывать и закрывать, так что клеточные сфероиды могут быть удалены для тестирования, но при этом камера способна поддерживать 100% влажность повсюду.^[70] Эта влажность важна для достижения максимального роста и функционирования клеток. Камера биореактора является частью более крупного устройства, которое вращается для обеспечения равного роста клеток в каждом направлении в трех измерениях.^[70]

QuinXell Technologies теперь под Quintech Life Sciences из Сингапур разработал биореактор, известный как Биаксиальный биореактор TisXell который специально разработан для тканевой инженерии. Это первый биореактор в мире, имеющий сферическую стеклянную камеру с двухосный вращение; специально для имитации вращения плода в утробе матери; который обеспечивает благоприятную среду для роста тканей.^[71]

Несколько форм механической стимуляции также были объединены в один биореактор. 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.^[72] Технология этого комбинированного стимулирующего биореактора может быть использована для более быстрого и эффективного роста костных клеток в будущих клинических методах лечения стволовыми клетками.

MC2 Biotek также разработал биореактор, известный как ProtoTissue^[67] который использует 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 нормальный клеточное дыхание.^[73]

Активные области исследований биореакторов включают увеличение масштабов производства и улучшение физиологической среды, оба из которых могут повысить эффективность и действенность биореакторов в исследованиях или клиническом использовании. В настоящее время биореакторы используются для изучения, среди прочего, методов лечения на уровне клеток и тканей, реакции клеток и тканей на определенные физиологические изменения окружающей среды, а также развития заболеваний и травм.

Генерация длинных волокон

В 2013 году группа из Токийского университета разработала волокна, нагруженные клетками, длиной до метра и порядка 100.мкм по размеру.^[74] Эти волокна были созданы с использованием микрофлюидное устройство который образует двойной соосный 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, в том числе миоциты, эндотелиальные клетки, волокна нервных клеток и клетка эпителия волокна. Затем эта группа показала, что эти волокна могут быть сплетены вместе для изготовления тканей или органов по механизму, аналогичному текстильному. ткачество. Преимущество фиброзной морфологии состоит в том, что она является альтернативой традиционной конструкции каркаса, а многие органы (например, мышцы) состоят из фиброзных клеток.

Биоискусственные органы

В этом разделе тон или стиль могут не отражать энциклопедический тон используется в Википедии. См. Википедию руководство по написанию лучших статей для предложений. (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 критически важных 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 исследований из-за ограничений, связанных с созданием функциональных органов, другие в настоящее время используются в клинических условиях экспериментально и в коммерческих целях.^[76]

Легкое

Экстракорпоральная мембранная оксигенация (ЭКМО) машины, также известные как машины сердца и легких, являются адаптацией сердечно-легочный обход методы, обеспечивающие поддержку сердца и легких.^[77] Он используется в основном 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 заселена и подвергнута реваскуляризации, сохраняя при этом структуру коллагена дермы, что делает ее биоискусственным органом. ^[81] Dermagraft, еще один коммерческий продукт тканевой инженерии для кожи, состоит из живых фибробластов. Эти фибробласты размножаются и продуцируют факторы роста, коллаген и белки ECM, которые помогают формировать грануляционную ткань.^[82]

Сердце

Поскольку количество пациентов, ожидающих трансплантации сердца, со временем постоянно увеличивается, а количество пациентов в списке ожидания превышает количество доступных органов,^[83] искусственные органы, используемые в качестве заместительной терапии при терминальной сердечной недостаточности, помогут облегчить эту проблему. Искусственное сердце обычно используется в качестве моста после трансплантации сердца или может применяться в качестве заместительной терапии при терминальной сердечной недостаточности.^[84] Тотальное искусственное сердце (TAH), впервые представленное доктором Владимиром П. Демиховым в 1937 году,^[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]

Почка

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 способствовать биологическим функциям почек, таким как выработка метаболических факторов или гормонов, некоторые искусственные почки содержат почечные клетки.^[88][89] Был достигнут прогресс в том, чтобы сделать эти устройства меньшими по размеру и более мобильными, или даже имплантируемый . Одна проблема, с которой все еще предстоит столкнуться в этих небольших устройствах, - это преодоление ограниченного объема и, следовательно, ограниченных возможностей фильтрации.^[88]

Биомиметики

В этом разделе тон или стиль могут не отражать энциклопедический тон используется в Википедии. См. Википедию руководство по написанию лучших статей для предложений. (Декабрь 2019 г.) (Узнайте, как и когда удалить этот шаблон сообщения)

Биомиметика - это область, которая направлена ​​на производство материалов и систем, копирующих те, что присутствуют в природе.^[90] В контексте тканевой инженерии это общий подход, используемый инженерами для создания материалов для этих приложений, которые сопоставимы с нативными тканями с точки зрения их структуры, свойств и биосовместимости. Свойства материала в значительной степени зависят от физических, структурных и химических характеристик этого материала. Впоследствии биомиметический подход к проектированию системы станет важным при интеграции материалов, и потребуется достаточное понимание биологических процессов и взаимодействий. Репликация биологических систем и процессов также может быть использована в 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, то в идеале синтезированный материал будет иметь аналогичные свойства. Этот метод имеет обширную историю, берущую свое начало от идеи 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- и наномасштаб проблемы, в том числе тканевая инженерия. Этот метод использовался для разработки синтетических костных тканей, сосудистых технологий, строительных материалов и методов интеграции, а также функционализированных наночастиц.^[90]

Построение нейронных сетей из мягкого материала

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 Исследовательская лаборатория армии США.^[91] Исследователи представили экспериментальную систему нейронных сетей, теоретически смоделированную как реакционно-диффузионные системы. Внутри сетей было множество реакторов, каждый из которых выполнял Белоусов-Жаботинский (БЖ) реакция. Эти реакторы могли работать в нанолитровом масштабе.^[92]

Исследователи заявляют, что вдохновением для их проекта послужило движение синего цвета. ленточный угорь. Движения угря контролируются электрическими импульсами, определяемыми классом нейронных сетей, называемым центральный генератор шаблонов. Генераторы центральных паттернов работают в автономная нервная система для управления функциями организма, такими как дыхание, движение и перистальтика.^[93]

Качествами спроектированного реактора были топология сети, граничные условия, начальные условия, объем реактора, сила связи и синаптическая полярность реактора (является ли его поведение тормозящим или возбуждающим).^[93] Эмульсионная система BZ с твердым эластомер полидиметилсилоксан (PDMS) был разработан. ПДМС, проницаемые как для света, так и для брома, считаются жизнеспособными методами создания кардиостимулятора для нейронных сетей.^[92]

Рынок

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

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 Гарвард или же Массачусетский технологический институт. Примерами являются BioHybridTechnologies, основатель которой Билл Чик отправился в Гарвардская медицинская школа 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, связанные с MIT, - это TEI Biosciences, Therics и Guilford Pharmaceuticals.^[6] 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.^[6]

В Великобритании рынок начал медленнее, несмотря на то, что стволовая клетка исследования тоже не были строгими. В основном это связано с тем, что большее количество инвесторов менее охотно вкладывают средства в эти новые технологии, которые считались инвестициями с высоким риском.^[94] Другой проблемой, с которой столкнулись британские компании, было получение NHS платить за свою 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 вне дома 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 маленькие стартапы.^[94] После законодательных изменений в 2014 году, которые позволили выращивать клетки 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 iPS ячейка -сопутствующие товары.^[94]

Крушение

Вскоре после большого бума начали появляться первые проблемы. Возникли проблемы с утверждением продуктов FDA и если они получали одобрение, часто возникали трудности с привлечением страховых компаний к оплате продуктов и с их принятием 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]

Другой пример - кожный продукт 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

Технологии обанкротившихся или находящихся в тяжелом положении компаний часто покупались другими компаниями, которые продолжали развиваться в рамках более консервативных бизнес-моделей.^[95] Примеры компаний, которые продавали свою продукцию после складывания: 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 в 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 предназначенные для продуктов, полученных из живых клеток, таких как Центр оценки и исследований биологических препаратов.^[94]

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

Регулирование

В Европе регулирование в настоящее время разделено на три области: медицинское оборудование, лекарственные средства, и биопрепараты. Продукты Tissue Engineering часто имеют гибридную природу, поскольку они часто состоят из клеток и поддерживающей структуры. Хотя некоторые продукты могут быть одобрены как лекарственные средства, другие должны получить одобрение как медицинские устройства.^[96] Дерксен объясняет в своей диссертации, 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 в этом вопросе дает исследование, проведенное 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, полемика о стволовых клетках, этика трансплантации органов ). Тот же опрос, 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 Евросоюз. Это Директива о стандартах качества и безопасности при получении и обработке тканей человека. ^[99] который был принят Европейским парламентом в 2004 году, а также предложен регламент о клетках и изделиях из тканей человека. Последний был разработан под руководством Генерального директора по предприятиям Европейской комиссии и представлен в Брюсселе в 2004 году.^[100]

Смотрите также

^[101]

Примечания

Рекомендации

внешняя ссылка

• Центр клинической тканевой инженерии Инициатива штата Огайо по тканевой инженерии (Национальный центр регенеративной медицины)
• Органная печать Инициатива, финансируемая NSF на нескольких площадках
• LOEX центр Инициатива Университета Лаваля в области тканевой инженерии