Prezentare generală a ingineriei tisulare

Capacitatea organismului uman de a regenera țesuturile și organele este extrem de ineficientă, iar pierderea țesuturilor și a organelor umane se poate întâmpla cu ușurință din cauza unor defecte congenitale, a bolilor și a traumei 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.
Acesta este locul unde ingineria tisulară este utilă. Prin utilizarea biomaterialului (materie care interacționează cu sistemele biologice ale corpului, cum ar fi celulele și moleculele active), se pot crea țesuturi funcționale pentru a ajuta la restabilirea, repararea sau înlocuirea țesuturilor și organelor afectate umane.

O scurta istorie

Ingineria țesuturilor este un domeniu relativ nou de medicină, cercetarea începând din anii 1980. Un bioengineer american și un om de știință numit Yuan-Cheng Fung a înaintat o propunere către Fundația Națională de Științe (NSF) pentru ca un centru de cercetare să fie dedicat țesuturilor vii. Fung a luat conceptul de țesut uman și la extins pentru a se aplica oricărui organism viu între celule și organe.
Pe baza acestei propuneri, FSN a desemnat termenul "ingineria țesuturilor" într-un efort de a forma un nou domeniu de cercetare științifică. Aceasta a dus la formarea Societății de Inginerie a Țesuturilor (TES), care a devenit mai târziu Societatea Internațională de Inginerie în Tissue și Regenerative Medicine (TERMIS).
TERMIS promovează atât educația, cât și cercetarea în domeniul ingineriei tisulare și al medicinei regenerative. Medicina regenerativă se referă la un domeniu mai amplu care se concentrează atât pe ingineria tisulară, cât și pe capacitatea corpului uman de a se auto-vindeca, pentru a restabili funcția normală a țesuturilor, organelor și celulelor umane.

Scopul ingineriei tisulare

Ingineria țesuturilor are câteva funcții principale în medicină și cercetare: ajutând la repararea țesuturilor sau organelor, inclusiv repararea oaselor (țesutul calcificat), țesutul cartilajului, țesutul cardiac, țesutul pancreatic și țesutul vascular. Domeniul desfășoară, de asemenea, cercetări privind comportamentul celulelor stem. Celulele stem se pot dezvolta în mai multe tipuri diferite de celule și pot ajuta la repararea zonei corpului.
Domeniul ingineriei tisulare permite cercetătorilor să creeze modele pentru a studia diferite boli, cum ar fi cancerul și bolile de inimă.
Natura 3D a ingineriei tisulare permite arhitectura tumorilor să fie studiată într-un mediu mai precis. Ingineria țesuturilor oferă, de asemenea, un mediu pentru a testa potențialele noi medicamente pentru aceste boli.

Cum functioneaza

Procesul ingineriei tisulare este unul complicat. Aceasta implică formarea unui țesut funcțional 3D pentru a ajuta la repararea, înlocuirea și regenerarea unui țesut sau a unui organ în organism. 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 rinichii sau ficatul). Țesutul crește pe aceste schele pentru a imita procesul biologic sau structura care trebuie înlocuită. Atunci când acestea sunt construite împreună, țesutul nou este proiectat pentru a reproduce starea țesutului vechi atunci când acesta nu a fost deteriorat sau bolnav.

Schele, celule și biomolecule

Schelele, care sunt create în mod normal de celulele din corp, pot fi construite din surse cum ar fi proteinele din organism, materialele plastice create de om sau dintr-o schelă existentă, cum ar fi una de la un organ donator. În cazul unui organ donator, schela ar fi combinată cu celulele pacientului pentru a face organe sau țesuturi personalizabile care ar putea fi, de fapt, respinse de sistemul imunitar al pacientului.
Indiferent de modul în care se formează, această structură de schele trimite mesaje către celule care ajută la susținerea și optimizarea funcțiilor celulare din corp.
Alegerea celulelor potrivite reprezintă o parte importantă a ingineriei tisulare. Există două tipuri principale de celule stem.

Două tipuri principale de celule stem

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

În prezent există multe cercetări efectuate asupra celulelor stem pluripotentă (celulele stem adulte care sunt induse să se comporte ca celulele stem embrionare). În teorie există o cantitate nelimitată de celule stem pluripotente, iar utilizarea lor nu implică problema distrugerii embrionilor umani (ceea ce cauzează și o problemă etică). De fapt, cercetătorii care au câștigat Premiul Nobel au prezentat concluziile lor privind celulele stem pluripotent 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 cum ar fi funcția creierului și a inimii, precum și sistemele care funcționează ca sistemul digestiv și imun.
Proteinele furnizează anticorpi împotriva germenilor, precum și suportul structural și mișcarea corpului. Acizii nucleici conțin ADN și ARN, dând informații genetice celulelor.

Utilizarea medicală

Ingineria tisulară nu este utilizată pe scară largă pentru îngrijirea sau tratamentul pacientului. Au existat câteva cazuri care au utilizat ingineria tisulară în grefe de piele, repararea cartilajelor, artere mici și vezici la pacienți. Cu toate acestea, organe de țesut mai mari, 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 tisulare la pacienți, procedurile sunt extrem de costisitoare. Deși ingineria tisulară este utilă atunci când vine vorba de cercetarea medicală, în special atunci când se testează formulări noi de medicamente.
Utilizarea țesutului funcțional, într-un mediu în afara corpului, ajută cercetătorii să obțină beneficii în medicina personalizată.
Medicina personalizată ajută la determinarea faptului dacă unele medicamente funcționează mai bine pentru anumiți pacienți pe baza machiajului lor genetic, precum și reduc costurile de dezvoltare și testare pe animale.

Exemple de inginerie tisulară

Un exemplu recent de inginerie tisulară efectuat de Institutul Național de Imaging Biomedical și Bioinginerie include ingineria unui țesut hepatic uman care este apoi implantat într-un șoarece.Deoarece șoarecele folosește propriul ficat, țesutul hepatic uman metabolizează medicamentele, imitând modul în care oamenii ar răspunde la anumite medicamente din interiorul mouse-ului. Acest lucru ajută cercetătorii să vadă ce posibile interacțiuni medicamentoase ar putea exista cu un anumit medicament.
Într-un efort de a fi fabricate țesut cu o rețea încorporată, cercetătorii testează o imprimantă care ar face o rețea vasculară ca o soluție de zahăr. Soluția s-ar forma și se va întări în țesutul fabricat până când sângele va fi adăugat la proces, care va călători prin canalele create de om.
În cele din urmă, regenerarea rinichilor unui pacient folosind propriile celule ale pacientului este un alt proiect al Institutului. Cercetatorii au folosit celulele din organele donatoare pentru a se combina cu biomolecule si o schela de colagen (de la organul donator) pentru a creste noul tesut de rinichi.
Acest țesut de organe a fost apoi testat pentru funcționare (cum ar fi absorbția nutrienților și producerea de urină) atât în ​​afara, cât și în interiorul șobolanilor. Progresele înregistrate în acest domeniu de inginerie tisulară (care poate funcționa în mod similar pentru organe precum inima, ficatul și plămânii) ar putea contribui la lipsa donatorilor, precum și la reducerea oricăror boli asociate cu imunosupresia la pacienții cu transplant de organe.

Cum se referă la cancer

Creșterea tumorilor metastatice este unul dintre motivele pentru care cancerul este o cauză principală de deces. Înainte de ingineria țesuturilor, mediile tumorale au putut fi create numai în afara corpului în formă 2D. Acum, mediile 3D, precum și dezvoltarea și utilizarea anumitor biomateriale (cum ar fi colagenul) permit cercetătorilor să privească mediul unei tumori până la micromediul anumitor celule pentru a vedea ce se întâmplă cu boala când anumite compoziții chimice din celule sunt modificate.
Astfel, ingineria tisulara ajuta cercetatorii sa inteleaga atat progresia cancerului, cat si efectele anumitor abordari terapeutice asupra pacientilor cu acelasi tip de cancer.
In timp ce progresul a fost facut studiul cancerului prin ingineria tisulara, cresterea tumorii poate provoca adesea noi vase de sange. Acest lucru inseamna ca, chiar si cu inovatiile ingineria tisulara a facut cu cercetarea cancerului, pot exista limitari care pot fi eliminate numai prin implantarea tesutului inginerie intr-un organism viu.
Cu cancer, cu toate acestea, ingineria tisulară poate ajuta la stabilirea modului în care se formează aceste tumori, ce ar trebui să arate interacțiunile celulare normale, precum și modul în care celulele canceroase cresc și metastazează. Acest lucru ajută cercetătorii să testeze medicamente care vor afecta numai celulele canceroase, spre deosebire de întregul organ sau organism.
Noi moduri de utilizare a biomaterialelor se schimbă