Katsaus kudostekniikkaan

Ihmiskehon kyky regeneroida kudoksia ja elimiä on erittäin tehotonta, ja ihmiskudoksen ja -elinten menettäminen voi tapahtua helposti esimerkiksi synnynnäisten vikojen, sairauksien ja äkillisten traumojen takia. Kun kudos kuolee (kutsutaan nekroosiksi), sitä ei voida herättää eloon - ellei sitä poisteta tai korjata, se voi vaikuttaa muihin kehon osiin, kuten ympäröivään kudokseen, elimiin, luuhun ja ihoon.

Tässä kudostekniikka on hyödyllistä. Käyttämällä biomateriaalia (aine, joka on vuorovaikutuksessa kehon biologisten järjestelmien, kuten solujen ja aktiivisten molekyylien kanssa), toiminnalliset kudokset voidaan luoda auttamaan palauttamaan, korjaamaan tai korvaamaan vaurioituneet ihmiskudokset ja -elimet.

Lyhyt historia

Kudostekniikka on suhteellisen uusi lääketieteen ala, jonka tutkimus aloitettiin vasta 1980-luvulla. Amerikkalainen biotekniikka ja tiedemies Yuan-Cheng Fung toimitti Kansalliselle tiedesäätiölle (NSF) ehdotuksen tutkimuskeskuksen omistamiseksi eläville kudoksille. Fung otti ihmiskudoksen käsitteen ja laajensi sitä koskemaan kaikkia eläviä organismeja solujen ja elinten välillä.

Tämän ehdotuksen perusteella NSF merkitsi termin "kudostekniikka" muodostaakseen uuden tieteellisen tutkimuksen kentän. Tämä johti Tissue Engineering Societyn (TES) muodostumiseen, josta myöhemmin tuli Tissue Engineering and Regenerative Medicine International Society (TERMIS).

TERMIS edistää sekä koulutusta että tutkimusta kudostekniikan ja regeneratiivisen lääketieteen alalla. Regeneratiivinen lääketiede viittaa laajempaan alaan, joka keskittyy sekä kudostekniikkaan että ihmiskehon kykyyn parantua itsestään palauttaakseen normaalin toiminnan kudoksiin, elimiin ja ihmissoluihin.

Kudostekniikan tarkoitus

Kudostekniikalla on muutama päätehtävä lääketieteessä ja tutkimuksessa: auttaa kudosten tai elinten korjaamisessa, mukaan lukien luiden korjaus (kalkittu kudos), rustokudos, sydänkudos, haiman kudos ja verisuonikudos. Alalla tehdään myös tutkimusta kantasolujen käyttäytymisestä. Kantasolut voivat kehittyä monentyyppisiksi soluiksi ja voivat auttaa korjaamaan kehon alueita.

Kudostekniikan ala antaa tutkijoiden luoda malleja tutkia erilaisia ​​sairauksia, kuten syöpää ja sydänsairauksia.

Kudostekniikan 3D-luonne mahdollistaa kasvaimen arkkitehtuurin tutkimisen tarkemmassa ympäristössä. Kudostekniikka tarjoaa myös ympäristön mahdollisten uusien lääkkeiden testaamiseksi näillä sairauksilla.

Kuinka se toimii

Kudostekniikan prosessi on monimutkainen. Siihen sisältyy 3D-toiminnallisen kudoksen muodostaminen kudoksen tai elimen korjaamiseksi, korvaamiseksi ja uudistamiseksi kehossa. Tätä varten solut ja biomolekyylit yhdistetään telineisiin.

Rakennustelineet ovat keinotekoisia tai luonnollisia rakenteita, jotka matkivat todellisia elimiä (kuten munuaisia ​​tai maksaa). Kudos kasvaa näillä telineillä jäljittelemään biologista prosessia tai rakennetta, joka on vaihdettava. Kun nämä rakennetaan yhdessä, uusi kudos suunnitellaan toistamaan vanhan kudoksen tila, kun se ei ollut vaurioitunut tai sairas.

Rakennustelineet, solut ja biomolekyylit

Rakennustelineet, jotka normaalisti kehon solut luovat, voidaan rakentaa lähteistä, kuten kehon proteiineista, ihmisen tekemisistä muoveista tai olemassa olevista telineistä, kuten luovuttajaelimestä. Luovuttajaelimen tapauksessa rakennusteline yhdistettäisiin potilaan soluihin, jotta saadaan räätälöitäviä elimiä tai kudoksia, jotka potilaan immuunijärjestelmä todennäköisesti hylkää.

Riippumatta siitä, miten se on muodostettu, juuri tämä telinerakenne lähettää viestejä soluille, jotka auttavat tukemaan ja optimoimaan kehon solutoimintoja.

Oikeiden solujen poiminta on tärkeä osa kudostekniikkaa. Kantasoluja on kahta päätyyppiä.

Kaksi varsi solutyyppiä

• Alkion kantasolut: ovat peräisin alkioista, yleensä munista, jotka on hedelmöitetty in vitro (kehon ulkopuolella).
• Aikuisten kantasolut: löytyvät kehon sisäpuolelta tavallisten solujen joukosta - ne voivat lisääntyä solujen jakautumisella kuolleiden solujen ja kudosten täydentämiseksi.

Tällä hetkellä tehdään paljon tutkimusta myös pluripotenteista kantasoluista (aikuisten kantasoluista, jotka saavat aikaan käyttäytymisen kuten alkion kantasolut). Teoriassa pluripotenttien kantasolujen tarjonta on rajaton, eikä niiden käyttöön tule sisältyä ihmisalkioiden tuhoamista (mikä aiheuttaa myös eettisen ongelman). Itse asiassa Nobelin palkinnon saaneet tutkijat julkaisivat havainnot pluripotenteista kantasoluista ja niiden käytöstä.

Kaiken kaikkiaan biomolekyylit sisältävät neljä pääluokkaa (vaikka on myös toissijaisia ​​luokkia): hiilihydraatit, lipidit, proteiinit ja nukleiinihapot. Nämä biomolekyylit auttavat muodostamaan solurakenteen ja toiminnan. Hiilihydraatit auttavat elimiä, kuten aivoja ja sydämen toimintaa, samoin kuin järjestelmät, kuten ruoansulatuskanava ja immuunijärjestelmä.

Proteiinit tarjoavat vasta-aineita bakteereita vastaan ​​sekä rakenteellisen tuen ja kehon liikkeen. Nukleiinihapot sisältävät DNA: ta ja RNA: ta, mikä antaa geneettistä tietoa soluille.

Lääketieteellinen käyttö

Kudostekniikkaa ei käytetä laajalti potilaan hoidossa tai hoidossa. Joissakin tapauksissa on käytetty kudostekniikkaa potilaiden ihonsiirroissa, ruston korjaamisessa, pienissä valtimoissa ja virtsarakoissa. Kudostekniikalla valmistettuja suurempia elimiä, kuten sydäntä, keuhkoja ja maksaa, ei kuitenkaan ole vielä käytetty potilailla (vaikka ne on luotu laboratorioissa).

Kudostekniikan käytön riskitekijän lisäksi potilailla menettelyt ovat erittäin kalliita. Vaikka kudostekniikasta on hyötyä lääketieteellisessä tutkimuksessa, erityisesti uusien lääkevalmisteiden testauksessa.

Elävän, toimivan kudoksen käyttö kehon ulkopuolella olevassa ympäristössä auttaa tutkijoita hyötymään yksilöllisestä lääketieteestä.

Räätälöity lääketiede auttaa määrittämään, toimivatko jotkut lääkkeet paremmin tietyille potilaille niiden geneettisen koostumuksen perusteella, sekä vähentää kehityskustannuksia ja eläinkokeita.

Esimerkkejä kudostekniikasta

Tuore esimerkki kudosmuokkauksesta, jonka on suorittanut National Institute of Biomedical Imaging and Bioengineering, sisältää ihmisen maksakudoksen suunnittelun, joka sitten istutetaan hiireen. Koska hiiri käyttää omaa maksaansa, ihmisen maksakudos metabolisoi lääkkeitä jäljittelemällä sitä, miten ihmiset reagoisivat tiettyihin hiiren sisällä oleviin lääkkeisiin. Tämä auttaa tutkijoita näkemään, mitä mahdollisia lääkkeiden yhteisvaikutuksia voi olla tietyn lääkityksen kanssa.

Pyrkiessään saamaan aikaan kudoksen sisäänrakennetulla verkolla, tutkijat testaavat tulostinta, joka tekisi verisuonen kaltaisen verkon sokeriliuoksesta. Liuos muodostuu ja kovettuu muokatussa kudoksessa, kunnes prosessiin lisätään verta, joka kulkee ihmisen tekemien kanavien läpi.

Lopuksi potilaan munuaisten uudistaminen potilaan omilla soluilla on toinen instituutin projekti. Tutkijat käyttivät luovuttajaelinten soluja yhdistääkseen ne biomolekyylien ja kollageenirakenteen kanssa (luovuttajaelimestä) uuden munuaiskudoksen kasvattamiseksi.

Tämän elinkudoksen toiminta testattiin (kuten ravinteiden imeytyminen ja virtsan tuottaminen) sekä rottien ulkopuolella että sen sisällä. Edistyminen tällä kudostekniikan alalla (joka voi toimia samalla tavalla myös elinten, kuten sydämen, maksan ja keuhkojen kohdalla) voi auttaa luovuttajien puutteessa sekä vähentää mahdollisia immunosuppressioon liittyviä sairauksia elinsiirtopotilailla.

Kuinka se liittyy syöpään

Metastaattinen kasvaimen kasvu on yksi syy siihen, että syöpä on johtava kuolinsyy. Ennen kudosteknologiaa kasvainympäristöjä pystyttiin luomaan vain kehon ulkopuolelle 2D-muodossa. Nyt 3D-ympäristöt sekä tiettyjen biomateriaalien (kuten kollageenin) kehittäminen ja hyödyntäminen antavat tutkijoille mahdollisuuden tarkastella kasvainympäristöä tiettyjen solujen mikroympäristöön nähdäkseen, mitä taudille tapahtuu, kun soluissa muutetaan tiettyjä kemiallisia koostumuksia .

Tällä tavalla kudostekniikka auttaa tutkijoita ymmärtämään sekä syövän etenemisen että sen, mitä tiettyjen terapeuttisten lähestymistapojen vaikutukset saattavat olla potilaissa, joilla on sama syöpätyyppi.

Vaikka syöpää on tutkittu kudostekniikan avulla, kasvaimen kasvu voi usein aiheuttaa uusien verisuonten muodostumisen. Tämä tarkoittaa, että vaikka kudostekniikka on edistynyt syöpätutkimusten kanssa, voi olla rajoituksia, jotka voidaan poistaa vain istuttamalla muokattu kudos elävään organismiin.

Syöpään kudostekniikka voi kuitenkin auttaa selvittämään, kuinka nämä kasvaimet muodostuvat, millaisten normaalien solujen vuorovaikutusten tulisi näyttää, sekä kuinka syöpäsolut kasvavat ja etäpesäkkeitä. Tämä auttaa tutkijoita testaamaan lääkkeitä, jotka vaikuttavat vain syöpäsoluihin, toisin kuin koko elin tai elin.