Prezentare generală a ingineriei țesuturilor

Capacitatea corpului uman de a regenera țesuturile și organele este extrem de ineficientă, iar pierderea țesutului și a organelor umane se poate întâmpla cu ușurință din cauza unor defecte congenitale, boli și traume bruște. Când țesutul moare (numit necroză), acesta nu poate fi readus la viață - dacă nu este îndepărtat sau reparat, acesta poate afecta alte zone ale corpului, cum ar fi țesutul înconjurător, organele, osul și pielea.

Aici este utilă ingineria țesuturilor. Prin utilizarea biomaterialului (materie care interacționează cu sistemele biologice ale corpului, cum ar fi celulele și moleculele active), țesuturile funcționale pot fi create pentru a ajuta la refacerea, repararea sau înlocuirea țesuturilor și organelor umane deteriorate.

O scurta istorie

Ingineria țesuturilor este un domeniu relativ nou al medicinei, cercetările începând abia în anii 1980. Un bioinginer și om de știință american pe nume Yuan-Cheng Fung a depus o propunere către Fundația Națională pentru Științe (NSF) pentru ca un centru de cercetare să fie dedicat țesuturilor vii. Fung a luat conceptul de țesut uman și l-a extins pentru a se aplica oricărui organism viu între celule și organe.

Pe baza acestei propuneri, NSF a etichetat termenul „inginerie de țesuturi” într-un efort de a forma un nou domeniu de cercetare științifică. Acest lucru a dus la formarea Societății de Inginerie a Țesuturilor (TES), care a devenit ulterior Societatea Internațională de Inginerie a Țesuturilor și Medicină Regenerativă (TERMIS).

TERMIS promovează atât educația, cât și cercetarea în domeniul ingineriei țesuturilor și a medicinei regenerative. Medicina regenerativă se referă la un domeniu mai larg care se concentrează atât pe ingineria țesuturilor, cât și pe capacitatea corpului uman de a se autovindeca pentru a restabili funcția normală a țesuturilor, organelor și celulelor umane.

Scopul ingineriei țesuturilor

Ingineria țesuturilor are câteva funcții principale în medicină și cercetare: a ajuta la repararea țesuturilor sau a organelor, inclusiv la repararea oaselor (țesut calcificat), țesut cartilagin, țesut cardiac, țesut pancreas și țesut vascular. Domeniul efectuează, de asemenea, cercetări privind comportamentul celulelor stem. Celulele stem se pot dezvolta în multe tipuri diferite de celule și pot ajuta la repararea zonelor corpului.

Domeniul ingineriei țesuturilor permite cercetătorilor să creeze modele pentru a studia diferite boli, precum cancerul și bolile de inimă.

Natura 3D a ingineriei tisulare permite studierea arhitecturii tumorale într-un mediu mai precis. Ingineria țesuturilor oferă, de asemenea, un mediu pentru a testa potențialele medicamente noi asupra acestor boli.

Cum functioneaza

Procesul de inginerie a țesuturilor este unul complicat. Aceasta implică formarea unui țesut funcțional 3D pentru a ajuta la repararea, înlocuirea și regenerarea unui țesut sau a unui organ din corp. Pentru a face acest lucru, celulele și biomoleculele sunt combinate cu schele.

Schelele sunt structuri artificiale sau naturale care imită organe reale (cum ar fi rinichiul sau ficatul). Țesutul crește pe aceste schele pentru a imita procesul biologic sau structura care trebuie înlocuită. Când acestea sunt construite împreună, țesutul nou este proiectat pentru a reproduce starea țesutului vechi atunci când nu a fost deteriorat sau bolnav.

Schele, celule și biomolecule

Schelele, care sunt în mod normal create de celulele corpului, pot fi construite din surse precum proteine ​​din corp, materiale plastice artificiale sau dintr-o schelă existentă, cum ar fi una dintr-un organ donator. În cazul unui organ donator, schela ar fi combinată cu celule de la pacient pentru a crea organe sau țesuturi personalizabile care, de fapt, sunt probabil respinse de sistemul imunitar al pacientului.

Indiferent de modul în care este format, această structură a schelelor trimite mesaje către celule care ajută la susținerea și optimizarea funcțiilor celulare din corp.

Alegerea celulelor potrivite este o parte importantă a ingineriei țesuturilor. Există două tipuri principale de celule stem.

Două tipuri principale de celule stem

• Celulele stem embrionare: provin din embrioni, de obicei din ouă care au fost fertilizate in vitro (în afara corpului).
• Celulele stem adulte: se găsesc în interiorul corpului printre celulele obișnuite - se pot înmulți prin divizarea celulară pentru a umple celulele și țesutul moarte.

În prezent, se efectuează o mulțime de cercetări și asupra celulelor stem pluripotente (celule stem adulte care sunt induse să se comporte ca celule stem embrionare). În teorie, există o cantitate nelimitată de celule stem pluripotente, iar utilizarea acestora nu implică problema distrugerii embrionilor umani (ceea ce provoacă și o problemă etică). De fapt, cercetătorii câștigători ai Premiului Nobel și-au publicat concluziile privind celulele stem pluripotente și utilizările lor.

În general, biomoleculele includ patru clase majore (deși există și clase secundare): carbohidrați, lipide, proteine ​​și acizi nucleici. Aceste biomolecule ajută la alcătuirea structurii și funcției celulare. Carbohidrații ajută organele precum creierul și inima să funcționeze, precum și sistemele care funcționează precum sistemul digestiv și imunitar.

Proteinele oferă anticorpi împotriva germenilor, precum și sprijin structural și mișcarea corpului. Acizii nucleici conțin ADN și ARN, oferind informații genetice celulelor.

Utilizare medicală

Ingineria țesuturilor nu este utilizată pe scară largă pentru îngrijirea sau tratamentul pacientului. Au existat câteva cazuri care au folosit ingineria țesuturilor în grefele de piele, repararea cartilajului, arterele mici și vezicele la pacienți. Cu toate acestea, organele mai mari prelucrate cu țesuturi, cum ar fi inima, plămânii și ficatul, nu au fost încă utilizate la pacienți (deși au fost create în laboratoare).

În afară de factorul de risc al utilizării ingineriei țesuturilor la pacienți, procedurile sunt extrem de costisitoare. Deși ingineria țesuturilor este utilă atunci când vine vorba de cercetarea medicală, în special atunci când se testează noi formulări medicamentoase.

Folosirea țesutului viu și funcțional într-un mediu din afara corpului îi ajută pe cercetători să obțină câștiguri în medicina personalizată.

Medicina personalizată ajută la determinarea dacă unele medicamente funcționează mai bine pentru anumiți pacienți pe baza structurii lor genetice, precum și la reducerea costurilor de dezvoltare și testare pe animale.

Exemple de inginerie a țesuturilor

Un exemplu recent de inginerie tisulară efectuat de Institutul Național de Imagistică Biomedică și Bioinginerie include ingineria unui țesut hepatic uman care este apoi implantat într-un șoarece. Deoarece șoarecele își folosește propriul ficat, țesutul hepatic uman metabolizează medicamentele, imitând modul în care oamenii ar răspunde la anumite medicamente din interiorul șoarecelui. Acest lucru îi ajută pe cercetători să vadă ce posibile interacțiuni medicamentoase pot exista cu un anumit medicament.

Într-un efort de a crea țesuturi cu o rețea încorporată, cercetătorii testează o imprimantă care ar face o rețea asemănătoare vasculare dintr-o soluție de zahăr. Soluția s-ar forma și se va întări în țesutul proiectat până când sângele este adăugat la proces, călătorind prin canalele artificiale.

În cele din urmă, regenerarea rinichilor unui pacient folosind propriile celule ale pacientului este un alt proiect al Institutului. Cercetătorii au folosit celule din organele donatoare pentru a se combina cu biomolecule și o schelă de colagen (din organul donator) pentru a dezvolta țesut renal nou.

Acest țesut de organ a fost apoi testat pentru funcționare (cum ar fi absorbția nutrienților și producerea de urină) atât în ​​exterior, cât și în interiorul șobolanilor. Progresele în acest domeniu al ingineriei țesuturilor (care pot funcționa în mod similar pentru organe precum inima, ficatul și plămânii) ar putea ajuta la lipsa donatorilor, precum și la reducerea oricăror boli asociate cu imunosupresia la pacienții cu transplant de organe.

Cum se raportează la cancer

Creșterea tumorii metastatice este unul dintre motivele pentru care cancerul este principala cauză de deces. Înainte de ingineria țesuturilor, mediile tumorale au putut fi create numai în afara corpului sub formă 2D. Acum, mediile 3D, precum și dezvoltarea și utilizarea anumitor biomateriale (cum ar fi colagenul), permit cercetătorilor să privească mediul tumorii până la microambientul anumitor celule pentru a vedea ce se întâmplă cu boala atunci când anumite compoziții chimice din celule sunt modificate .

În acest fel, ingineria țesuturilor îi ajută pe cercetători să înțeleagă atât progresia cancerului, cât și efectele anumitor abordări terapeutice asupra pacienților cu același tip de cancer.

În timp ce s-au făcut progrese în studierea cancerului prin ingineria țesuturilor, creșterea tumorii poate provoca adesea formarea de noi vase de sânge. Aceasta înseamnă că, chiar și cu progresele realizate de ingineria țesuturilor în cercetarea cancerului, pot exista limitări care pot fi eliminate numai prin implantarea țesutului modificat într-un organism viu.

Cu cancerul, totuși, ingineria țesuturilor poate ajuta la stabilirea modului în care se formează aceste tumori, a interacțiunilor celulare normale, precum și a modului în care celulele canceroase cresc și se metastazează. Acest lucru îi ajută pe cercetători să testeze medicamente care vor afecta numai celulele canceroase, spre deosebire de întregul organ sau corp.