Тканинна інженерія часто передбачає використання клітин, розміщених на тканинних каркасах, для формування нової життєздатної тканини з медичною метою, але не обмежується застосуванням із застосуванням клітин і тканинних каркасів. Звичайні імплантати з інертних матеріалів можуть усунути тільки фізичні і механічні недоліки пошкоджених тканин. Метою тканинної інженерії є відновлення біологічних (метаболічних) функцій, тобто регенерацію тканини, а не просте заміщення її синтетичним матеріалом.
Що таке тканинна інженерія (english)
Опис технології
Узагальнити
Перспектива
Термінологія
Тканинна інженерія є «міждисциплінарною галуззю, яка застосовує принципи інженерії та наук про життя для розробки біологічних замінників, які відновлюють, підтримують або покращують [біологічні тканини] функції або цілого органу».[1]Тканинну інженерію також визначають як «розуміння принципів росту тканини та застосування цього для виробництва функціональної замінної тканини для клінічного використання». У подальшому описі йдеться про те, що «основне припущення тканинної інженерії полягає в тому, що використання природної біології системи дозволить досягти більшого успіху в розробці терапевтичних стратегій, спрямованих на заміну, відновлення, підтримку або посилення функції тканин».[5]
Створений серцевий клапан
Перспективи
Наукові досягнення в біоматеріалах, стовбурових клітинах, факторах росту та диференціації, органоїдах та біоміметичних середовищах створили унікальні можливості для виготовлення або вдосконалення існуючих тканин у лабораторії з комбінацій сконструйованих позаклітинних матриць («каркасів»), клітин і біологічно активних молекул.
Серед основних проблем, з якими зараз стикається тканинна інженерія, є потреба в більш складній функціональності, біомеханічній стабільності та васкуляризації вирощених у лабораторії тканин, призначених для трансплантації.
Біомолекули (фактори росту та диференціації клітин).
Фізичний та механічний вплив для утворення потрібної структури.
Створення імплантату тканинної наноінженерії (графта) включає кілька етапів:
відбір і культивування власного або донорського клітинного матеріалу;
розробка спеціального носія для клітин (матриці) на основі біосумісних матеріалів;
нанесення культури клітин на матрицю і розмноження клітин у біореакторі зі спеціальними умовами культивування;
безпосереднє впровадження графта в область ураженого органу або попереднє розміщення в області, що добре забезпечується кров'ю, для дозрівання і формування мікроциркуляції всередині графта (напівфабрикату).
Великі кісткові дефекти негативно впливають на здоров'я людини та залишаються світовою проблемою охорони здоров'я, яку необхідно негайно вирішувати. Технологія 3D-друку привернула значну увагу для підготовки проникаючих багатофункціональних каркасів для сприяння відновленню та регенерації кісток.[22]
Дослідження 2023 року, опубліковане в Regenerative Biomaterials (Oxford University Press), описало нові пористі біорозкладні каркаси, що були надруковані за допомогою полімеризаціїлактиду та капролактону (PLCL), і біоактивного скла 45S5 (BG), а полідофамін (PDA) використовувався для декорування каркасів PLCL/BG. Було виміряно фізико-хімічні властивості каркасів PLCL/BG і PLCL/BG/PDA, а їхні остеогенні та ангіогенні ефекти охарактеризовано за допомогою серії експериментів як in vitro, так і in vivo. Результати показують, що каркас PLCL/BG2/PDA мав хороший модуль стиску та блискучу гідрофільність. Проліферація, адгезія та остеогенез hBMSCs були покращені в групах покриттів PDA, які показали найкращі результати. Результати моделі дефекту черепа щурів SD вказують на те, що PLCL/BG2/PDA явно сприяв остеоінтеграції, що було додатково підтверджено імуногістохімічним фарбуванням. Таким чином, декорування PDA та тривале вивільнення біоактивних іонів (Ca, Si, P) із BG у надрукованому на 3D-принтері каркаси PLCL/BG2/PDA можуть покращити біоактивність поверхні та сприяти кращому остеогенезу та ангіогенезу, що може стати цінною основою для індивідуальних імплантатів для відновлення кісткових дефектів.[22]
Результати біологічних експериментів показують, що композит TDM/α-CSH демонструє чудову біосумісність, а експресія остеогенних генів і білків (ALP, RUNX2, OPN) значно підвищена. Експерименти in vivo показують, що додавання TDM для кожної групи (10%, 30%, 50%) ефективно сприяє проліферації клітин і остеомаляції. Крім того, 50% комбінації TDM/α-CSH демонструє оптимальну остеопровідність.[23]
Такі наночастинки, як графен, вуглецеві нанотрубки, дисульфід молібдену та дисульфід вольфраму, використовуються як зміцнюючі агенти для виготовлення механічно міцних полімерних нанокомпозитів, що піддаються біологічному розкладанню, для інженерії кісткової тканини. Додавання цих наночастинок у полімерну матрицю в низьких концентраціях (0,2 вагових%) призводить до значного покращення механічних властивостей полімерних нанокомпозитів при стиску та згині. Потенційно ці нанокомпозити можуть бути використані як новий, механічно міцний, легкий композит як кісткові імплантати.
Нервова тканина
Анімаційна 3D-реконструкція трансплантата клітин lt-NES гіпокампа (mRFP1, червоний), що показує вхідні нейрони EGFP+ господаря (зелений) у медіальному септальному комплексі, енторинальній корі, секторі CA1, а також у східному шарі гіпокампа[24]
Ця область дослідження включає в себе принципи матеріалознавства, біології та інженерії для проектування та розробки пристроїв, каркасів і 3D-культур, які сприяють росту, виживанню та функціональній інтеграції нейронів і гліальних клітин.
Деякі із застосувань нейротканинної інженерії включають лікування травм спинного мозку, черепно-мозкових травм, інсульту, хвороби Паркінсона та інших станів, які призводять до пошкодження нервової системи.
Органоїди
Органоїди— це тривимірні (3D) клітинні структури, які походять зі стовбурових клітин або тканиноспецифічних клітин-попередників, і точно імітують мікроархітектуру та функціональність конкретних органів або тканин в організмі людини чи тварини.
Дослідження 2023 року, опубліковане в Cell Stem Cell, показало, що органоїди людського мозку успішно інтегруються із зоровою системою дорослого щура після трансплантації у великі пошкоджені порожнини зорової кори.[30] Транссинаптичне відстеження на основі вірусів виявило полісинаптичний шлях між трансплантованими людськими органоїдними нейронами та сітківкою щура-господаря, та взаємний зв'язок між трансплантатом та іншими регіонами зорової системи. Візуальна стимуляція тварин-господарів викликає відповіді в органоїдних нейронах, включаючи вибірковість орієнтації. Ці результати демонструють здатність органоїдів людського мозку приймати складні функції після введення у великі порожнини травми, пропонуючи трансляційну стратегію для відновлення функції після пошкодження кори.[30][31]
«…Через кілька місяців ми виявили, що трансплантовані органоїди добре вижили в ураженому інфарктом ядрі, диференціювалися в цільові нейрони, відновлювали інфарктну тканину, посилали аксони до віддалених мішеней мозку та інтегрувалися в нейронний ланцюг господаря, тим самим усуваючи сенсомоторні дефекти поведінки мишей, які перенесли інсульт, тоді як трансплантація дисоційованих окремих клітин з органоїдів не привела до відновлення ураженої інфарктом тканини.»
Серцево-судинна система
В серпні 2023 року вийшло дослідження, що описує успішну трансплантацію щурам серцевих органоїдів, сконструйованих з електропровідними кремнієвими нанодротами, в місця ураження інфарктом міоркарда, що сприяло значному функціональному відновленню серця.[33]
Ще одне дослідження, опубліковане у вересні 2023 року, продемонструвало створення міцної судинної системи в мікротканинах, що складаються з ендотеліальних клітин, фібробластів і передсердних або шлуночкових кардіоміоцитів, які демонструють ознаки експресії генів, архітектурну та електрофізіологічну схожість з анатомічними тканинами серця, отриманими in vivo.[34]
Офтальмологія
Підходи тканинної інженерії в офтальмології розробляються для лікування захворювань очей, таких як рогівкова сліпота та дегенерація сітківки. Наприклад, дослідники розробляють штучну рогівку та сітківку, які можна імплантувати в око для відновлення зору.[35][36][37][38]
У 2023 році в журналі Biofabrication була опублікована стаття, в якій описується, що дослідники розробили недорогий модульний ручний біопринтер, здатний наносити різноманітні біочорнила з точним контролем їхніх фізичних і хімічних властивостей, пропонуючи універсальне рішення для відновлення тканин. Біопринтер може створювати багатокомпонентні волокна з різними формами та композиціями, доставляти ліки контрольованим чином, виробляти біосенсори та переносну електроніку, а також генерувати клітинні волокна з високою життєздатністю клітин, навіть демонструючи потенціал у моделюванні інвазії ракових клітин у сусідні тканини.[43]
Ринок
У 2021 році обсяг світового ринку тканинної інженерії становив 12,76 мільярда доларів США, а до 2030 року очікується, що він сягне приблизно 31,23 мільярда доларів США, збільшуючись на 10,46% у середньому протягом прогнозованого періоду з 2022 по 2030 рік.[44]
.jpg)
