Способност људског тела да регенерише ткива и органе је изузетно неефикасна, а губитак људског ткива и органа може се лако догодити због ствари попут урођених дефеката, болести и изненадних траума. Када ткиво угине (названо некроза), не може се оживети - ако се не уклони или поправи, то може утицати на друга подручја тела, попут околног ткива, органа, костију и коже.
Овде је корисно инжењерство ткива. Коришћењем биоматеријала (материје која делује у интеракцији са телесним биолошким системима, попут ћелија и активних молекула), могу се створити функционална ткива која помажу у обнављању, поправљању или замени оштећеног људског ткива и органа.
Цаван Имагес / Гетти ИмагесКратка историја
Инжењеринг ткива релативно је ново подручје медицине, а истраживања су започела тек 1980-их. Амерички биоинжењер и научник под именом Иуан-Цхенг Фунг поднео је Националној научној фондацији (НСФ) предлог за истраживачки центар који би био посвећен живим ткивима. Фунг је узео концепт људског ткива и проширио га на било који живи организам између ћелија и органа.
На основу овог предлога, НСФ је означио термин „ткивни инжењеринг“ у покушају да формира ново поље научног истраживања. То је довело до формирања Друштва за ткивно инжењерство (ТЕС), које је касније постало Међународно друштво за ткивно инжењерство и регенеративну медицину (ТЕРМИС).
ТЕРМИС промовише едукацију и истраживање на пољу инжењерства ткива и регенеративне медицине. Регенеративна медицина односи се на шире подручје које се фокусира како на ткивни инжењеринг, тако и на способност људског тела да се самоизлечи како би вратило нормалну функцију ткиву, органима и људским ћелијама.
Сврха инжењерства ткива
Инжењеринг ткива има неколико главних функција у медицини и истраживању: помоћ у поправљању ткива или органа, укључујући поправку костију (калцификовано ткиво), хрскавично ткиво, срчано ткиво, ткиво панкреаса и васкуларно ткиво. Поље такође спроводи истраживање понашања матичних ћелија. Матичне ћелије се могу развити у много различитих врста ћелија и могу помоћи у поправљању делова тела.
Подручје инжењерства ткива омогућава истраживачима да креирају моделе за проучавање различитих болести, попут рака и срчаних болести.
3Д природа ткивног инжењерства омогућава проучавање туморске архитектуре у тачнијем окружењу. Инжењеринг ткива такође пружа окружење за тестирање потенцијалних нових лекова на ове болести.
Како то ради
Процес инжењеринга ткива је сложен. Укључује формирање 3Д функционалног ткива које помаже поправљању, замени и регенерацији ткива или органа у телу. Да би то учинили, ћелије и биомолекуле се комбинују са скелама.
Скеле су вештачке или природне структуре које опонашају стварне органе (попут бубрега или јетре). На овим скелама ткиво расте како би имитирало биолошки процес или структуру коју треба заменити. Када се ове конструишу заједно, ново ткиво је направљено тако да реплицира стање старог ткива када није било оштећено или болесно.
Скеле, ћелије и биомолекуле
Скеле, које обично стварају ћелије у телу, могу се градити од извора као што су протеини у телу, вештачка пластика или од постојеће скеле, попут оне од донаторског органа. У случају органа даваоца, скела би се комбиновала са ћелијама пацијента да би се направили прилагодљиви органи или ткиво које ће имуни систем пацијента заправо одбити.
Без обзира на то како је формирана, ова структура скела шаље ћелије порукама које помажу у подршци и оптимизацији ћелијских функција у телу.
Брање правих ћелија важан је део инжењерства ткива. Постоје две главне врсте матичних ћелија.
Две главне врсте матичних ћелија
- Матичне ћелије ембриона: потичу од ембриона, обично у јајима која су оплођена ин витро (изван тела).
- Матичне ћелије одраслих: налазе се у телу међу правилним ћелијама - могу се множити дељењем ћелија како би надокнадиле умируће ћелије и ткиво.
Тренутно се спроводи пуно истраживања и на плурипотентним матичним ћелијама (одрасле матичне ћелије које су подстакнуте да се понашају као ембрионалне матичне ћелије). У теорији постоји неограничена понуда плурипотентних матичних ћелија и њихова употреба не укључује питање уништавања људских ембриона (што такође узрокује етички проблем). У ствари, истраживачи добитници Нобелове награде објавили су своја открића о плурипотентним матичним ћелијама и њиховој употреби.
Све у свему, биомолекуле укључују четири главне класе (мада постоје и секундарне класе): угљени хидрати, липиди, протеини и нуклеинске киселине. Ови биомолекули помажу у изградњи ћелијске структуре и функције. Угљени хидрати помажу органима попут мозга и срца, као и системима који функционишу као пробавни и имуни систем.
Протеини пружају антитела против клица, као и структурну подршку и кретање тела. Нуклеинске киселине садрже ДНК и РНК, дајући генетске информације ћелијама.
Медицинска употреба
Инжењеринг ткива се не користи широко за негу или лечење пацијената. Било је неколико случајева који су користили инжењеринг ткива у трансплантацији коже, поправци хрскавице, малим артеријама и бешици код пацијената. Међутим, ткиво инжењерирани већи органи попут срца, плућа и јетре још увек нису коришћени код пацијената (иако су створени у лабораторијама).
Поред фактора ризика од употребе ткивног инжењеринга код пацијената, поступци су изузетно скупи. Иако је ткивно инжењерство корисно када је реч о медицинским истраживањима, посебно када се тестирају нове формулације лекова.
Коришћење живог, функционалног ткива у окружењу ван тела помаже истраживачима да постигну добитак у персонализованој медицини.
Персонализована медицина помаже да се утврди да ли неки лекови делују боље код одређених пацијената на основу њиховог генетског састава, као и смањује трошкове развоја и тестирања на животињама.
Примери инжењерства ткива
Недавни пример инжењерства ткива који је спровео Национални институт за биомедицинско сликање и биоинжењеринг укључује инжењеринг људског ткива јетре који се потом уграђује у миша. Будући да миш користи сопствену јетру, ткиво људске јетре метаболизира лекове опонашајући како ће људи реаговати на одређене лекове унутар миша. Ово помаже истраживачима да виде какве могуће интеракције лекова могу бити са одређеним лековима.
У покушају да осмисле ткиво са уграђеном мрежом, истраживачи испитују штампач који би од раствора шећера направио васкуларну мрежу. Раствор би се створио и стврднуо у конструисаном ткиву све док се у процес не дода крв путујући кроз вештачке канале.
Коначно, регенерација бубрега пацијента помоћу сопствених ћелија пацијента је још један пројекат Института. Истраживачи су користили ћелије из донаторских органа да се комбинују са биомолекулима и колагеном скелом (из донаторског органа) за раст новог бубрежног ткива.
Тада је ткиво овог органа тестирано на функционисање (као што је апсорпција хранљивих састојака и стварање урина) како споља, тако и унутар пацова. Напредак у овој области ткивног инжењерства (који такође може слично радити за органе попут срца, јетре и плућа) могао би да помогне у недостатку давалаца, као и да смањи све болести повезане са имуносупресијом код пацијената са пресађеним органима.
Како се односи на рак
Раст метастатског тумора један је од разлога што је рак водећи узрок смрти. Пре инжењеринга ткива, туморска окружења су могла да се стварају само ван тела у 2Д облику. Сада 3Д окружења, као и развој и употреба одређених биоматеријала (попут колагена), омогућавају истраживачима да животну средину тумора сагледају до микроокружења одређених ћелија како би видели шта се дешава са болешћу када се промене неки хемијски састави у ћелијама .
На овај начин, ткивни инжењеринг помаже истраживачима да разумеју и напредовање рака, као и ефекте одређених терапијских приступа на пацијенте са истом врстом карцинома.
Иако је напредак постигнут у проучавању рака путем ткивног инжењеринга, раст тумора често може довести до стварања нових крвних судова. То значи да чак и са напретком који је инжењерство ткива постигло истраживањем рака, могу постојати ограничења која се могу елиминисати само уграђивањем инжењерског ткива у живи организам.
Са раком, међутим, ткивни инжењеринг може помоћи да се утврди како се ови тумори формирају, како би требало да изгледају нормалне интеракције ћелија, као и како ћелије карцинома расту и метастазирају. Ово помаже истраживачима да тестирају лекове који ће утицати само на ћелије карцинома, за разлику од целог органа или тела.
