Reģeneratīvā medicīna: Audu inženierija – globāls pārskats

Audu inženierija, reģeneratīvās medicīnas stūrakmens, sniedz milzīgas cerības risināt dažas no vissarežģītākajām medicīniskajām problēmām, ar kurām saskaras cilvēce. Šīs jomas mērķis ir atjaunot vai aizstāt bojātus audus un orgānus, piedāvājot potenciālus risinājumus traumām, slimībām un ar vecumu saistītai deģenerācijai. Šis raksts sniedz visaptverošu pārskatu par audu inženieriju, pētot tās principus, pielietojumu, izaicinājumus un nākotnes virzienus no globālās perspektīvas.

Kas ir audu inženierija?

Audu inženierija ir daudzdisciplīnu joma, kas apvieno bioloģijas, inženierzinātņu un materiālzinātnes principus, lai radītu funkcionālus audus un orgānus. Galvenais koncepts ietver šūnu, karkasu un signālmolekulu izmantošanu, lai vadītu audu reģenerāciju. Galvenais mērķis ir izstrādāt bioloģiskus aizstājējus, kas var atjaunot, uzturēt vai uzlabot audu funkciju.

Audu inženierijas galvenās sastāvdaļas:

• Šūnas: Audu pamatelementi, šūnas tiek iegūtas no paša pacienta (autologās), donora (alogēnās) vai no cilmes šūnām. Šūnu veida izvēle ir atkarīga no konkrētā inženierējamā audu veida un vēlamās funkcijas. Piemēram, hondrocīti tiek izmantoti skrimšļu atjaunošanai, savukārt kardiomiocīti tiek izmantoti sirds muskuļu reģenerācijai.
• Karkasi: Tās ir trīsdimensiju struktūras, kas nodrošina ietvaru šūnām, kurām pieķerties, augt un diferencēties. Karkasus var izgatavot no dabīgiem materiāliem (piemēram, kolagēna, algināta) vai sintētiskiem materiāliem (piemēram, poliglikolskābes (PGA), polipienskābes (PLA)). Tiem jābūt bioloģiski saderīgiem, bioloģiski noārdāmiem (daudzos gadījumos) un ar atbilstošām mehāniskajām īpašībām. Karkasa arhitektūrai ir izšķiroša loma audu veidošanās vadīšanā.
• Signālmolekulas: Tie ir bioķīmiski signāli, piemēram, augšanas faktori un citokīni, kas stimulē šūnu proliferāciju, diferenciāciju un matricas veidošanos. Signālmolekulas var iekļaut karkasā vai piegādāt lokāli inženierētajiem audiem. Piemēri ietver kaulu morfogenētiskos proteīnus (BMP) kaulu reģenerācijai un vaskulārā endotēlija augšanas faktoru (VEGF) asinsvadu veidošanai.

Audu inženierijas pieejas

Ir vairākas audu inženierijas pieejas, katrai no tām ir savas priekšrocības un ierobežojumi:

1. Šūnu terapijas:

Šī pieeja ietver šūnu injicēšanu tieši bojātajos audos. Šūnas var būt autologas (no paša pacienta ķermeņa), alogēnas (no donora) vai ksenogēnas (no citas sugas). Šūnu terapijas bieži tiek izmantotas skrimšļu atjaunošanai, kaulu reģenerācijai un brūču dzīšanai. Piemēram, autologo hondrocītu implantācija (ACI) ir labi izveidota tehnika skrimšļa defektu labošanai ceļgalā.

2. Uz karkasiem balstīta audu inženierija:

Šī pieeja ietver šūnu izsēšanu uz karkasa un pēc tam konstrukcijas implantēšanu ķermenī. Karkass nodrošina ietvaru šūnām, lai tās augtu un veidotu jaunus audus. Uz karkasiem balstīta audu inženierija tiek izmantota plašam pielietojumu klāstam, ieskaitot kaulu reģenerāciju, ādas aizstāšanu un asinsvadu protēzes. Biežs piemērs ir kolagēna karkasu, kas izsēti ar fibroblastiem, izmantošana apdegumu brūču ārstēšanai.

3. In situ audu inženierija:

Šī pieeja ietver paša organisma reģeneratīvās spējas stimulēšanu, lai atjaunotu bojātos audus. To var panākt, piegādājot augšanas faktorus, citokīnus vai citas signālmolekulas traumas vietā. In situ audu inženieriju bieži izmanto kaulu reģenerācijai un brūču dzīšanai. Trombocītiem bagātinātas plazmas (PRP) terapija, kas ietver koncentrētu trombocītu injicēšanu traumas vietā, lai atbrīvotu augšanas faktorus, ir in situ audu inženierijas piemērs.

4. 3D biodrukāšana:

Šī ir jauna tehnoloģija, kas izmanto 3D drukāšanas tehniku, lai radītu sarežģītas audu konstrukcijas. 3D biodrukāšana ietver šūnu, karkasu un biomateriālu nogulsnēšanu slāni pa slānim, lai radītu trīsdimensiju struktūras, kas atdarina dabisko audu arhitektūru. Šai tehnoloģijai ir potenciāls revolucionizēt audu inženieriju, ļaujot radīt personalizētus audus un orgānus. Vairākas pētniecības grupas visā pasaulē strādā pie funkcionālu orgānu, piemēram, nieru, aknu un sirds, biodrukāšanas.

Audu inženierijas pielietojums

Audu inženierijai ir plašs pielietojumu klāsts dažādās medicīnas jomās:

1. Ādas audu inženierija:

Inženierēti ādas aizstājēji tiek izmantoti apdegumu brūču, diabētisko čūlu un citu ādas defektu ārstēšanai. Šos aizstājējus var izgatavot no kolagēna, keratinocītiem un fibroblastiem. Vairāki komerciāli pieejami ādas aizstājēji, piemēram, Apligraf un Dermagraft, ir pierādījuši, ka tie uzlabo brūču dzīšanu un samazina rētas. Ievērojams globāls pielietojums ir smagu apdegumu upuru ārstēšanā, kur kultivēti epidermālie autotransplantāti tiek izmantoti, lai nosegtu lielus bojātas ādas laukumus. Tas ir bijis īpaši ietekmīgs reģionos ar ierobežotu piekļuvi tradicionālajām ādas pārstādīšanas metodēm.

2. Kaulu audu inženierija:

Inženierēti kaulu transplantāti tiek izmantoti kaulu lūzumu labošanai, kaulu defektu aizpildīšanai un skriemeļu sapludināšanai. Šos transplantātus var izgatavot no kalcija fosfāta keramikas, kolagēna un kaulu smadzeņu stromas šūnām. Kaulu audu inženierija ir īpaši noderīga nesaugušu lūzumu un lielu kaulu defektu ārstēšanai, kas radušies traumas vai vēža rezekcijas rezultātā. Pētījumi notiek dažādās valstīs, tostarp Vācijā un ASV, koncentrējoties uz pacientam specifisku kaulu karkasu izmantošanu, kas izveidoti ar 3D drukāšanu, lai uzlabotu integrāciju un dzīšanu.

3. Skrimšļu audu inženierija:

Inženierēts skrimslis tiek izmantots, lai labotu skrimšļa defektus ceļgalos, gūžās un citās locītavās. Šos transplantātus var izgatavot no hondrocītiem, kolagēna un hialuronskābes. Autologo hondrocītu implantācija (ACI) un ar matricu inducēta autologo hondrocītu implantācija (MACI) ir iedibinātas metodes skrimšļu labošanai. Pētījumi pēta cilmes šūnu un augšanas faktoru izmantošanu, lai uzlabotu skrimšļu reģenerāciju. Piemēram, klīniskie pētījumi Austrālijā pēta mezenhimālo cilmes šūnu injicēšanas efektivitāti tieši bojātā ceļa skrimslī, lai veicinātu dzīšanu.

4. Kardiovaskulārā audu inženierija:

Inženierēti asinsvadi, sirds vārstuļi un sirds muskulis tiek izstrādāti, lai ārstētu sirds un asinsvadu slimības. Šīs konstrukcijas var izgatavot no endotēlija šūnām, gludās muskulatūras šūnām un kardiomiocītiem. Ar audu inženieriju izveidoti asinsvadi tiek izmantoti, lai apietu bloķētas artērijas, savukārt ar audu inženieriju izveidoti sirds vārstuļi var aizstāt bojātus vārstuļus. Pētījumi ir vērsti uz funkcionālu sirds audu izveidi, kas varētu labot bojātu sirds muskuli pēc sirdslēkmes. Viena inovatīva pieeja ietver decelularizētu sirds matricu izmantošanu, kur šūnas tiek izņemtas no donora sirds, atstājot ekstracelulāro matricu, kas pēc tam tiek recelularizēta ar paša pacienta šūnām. Šī stratēģija tiek pētīta Apvienotajā Karalistē un citās Eiropas valstīs.

5. Nervu audu inženierija:

Inženierēti nervu transplantāti tiek izmantoti, lai labotu bojātus nervus, piemēram, tos, kas cietuši muguras smadzeņu vai perifēro nervu traumu rezultātā. Šos transplantātus var izgatavot no Švanna šūnām, kolagēna un nervu augšanas faktoriem. Nervu audu inženierijas mērķis ir pārvarēt plaisu starp pārgrieztiem nervu galiem un veicināt nervu reģenerāciju. Pētnieki pēta bioloģiski noārdāmu nervu vadu izmantošanu, kas pildīti ar augšanas faktoriem, lai vadītu nervu reģenerāciju. Klīniskie pētījumi notiek vairākās valstīs, tostarp Ķīnā un Japānā, lai novērtētu šo nervu transplantātu efektivitāti nervu funkcijas atjaunošanā.

6. Orgānu audu inženierija:

Šis ir ambiciozākais audu inženierijas mērķis: radīt funkcionālus orgānus, kas var aizstāt bojātus vai slimus orgānus. Pētnieki strādā pie aknu, nieru, plaušu un aizkuņģa dziedzeru inženierijas. Orgānu audu inženierijas izaicinājumi ir milzīgi, taču pēdējos gados ir panākts ievērojams progress. 3D biodrukāšanai ir izšķiroša loma orgānu audu inženierijā, ļaujot radīt sarežģītas orgānu struktūras. Veika Foresta Reģeneratīvās medicīnas institūts ASV ir panācis ievērojamu progresu funkcionālu nieru struktūru biodrukāšanā. Turklāt pētījumi Japānā koncentrējas uz funkcionālu aknu audu radīšanu, izmantojot inducētās pluripotentās cilmes šūnas (iPSC). Galvenais mērķis ir radīt bio-mākslīgu orgānu, ko varētu transplantēt pacientam, lai atjaunotu orgāna funkciju.

Izaicinājumi audu inženierijā

Neskatoties uz audu inženierijas milzīgo potenciālu, joprojām pastāv vairāki izaicinājumi:

1. Bioloģiskā saderība:

Nodrošināt, ka inženierētie audi ir bioloģiski saderīgi ar saimniekaudiem, ir ļoti svarīgi, lai novērstu atgrūšanu un iekaisumu. Karkasiem izmantotajiem materiāliem un audu inženierijai izmantotajām šūnām jābūt netoksiskām un nedrīkst izraisīt imūnreakciju. Tiek pētīta biomateriālu virsmas modificēšana un imūnmodulējošu stratēģiju izmantošana, lai uzlabotu bioloģisko saderību.

2. Vaskularizācija:

Pienācīgas asins piegādes nodrošināšana inženierētajiem audiem ir būtiska šūnu izdzīvošanai un audu funkcijai. Inženierētajiem audiem bieži trūkst funkcionāla asinsvadu tīkla, kas ierobežo barības vielu un skābekļa piegādi. Pētnieki izstrādā stratēģijas, lai veicinātu vaskularizāciju, piemēram, iekļaujot angiogēnus faktorus karkasos un radot iepriekš vaskularizētus audus, izmantojot mikrofabrikācijas tehnikas. Tiek izmantotas mikrofluidiskas ierīces, lai radītu mikrovaskulārus tīklus inženierētajos audos.

3. Mehāniskās īpašības:

Inženierētajiem audiem jābūt ar atbilstošām mehāniskajām īpašībām, lai izturētu ķermeņa spriegumus un deformācijas. Karkasa un audu mehāniskajām īpašībām jāatbilst dabisko audu īpašībām. Pētnieki izmanto progresīvus materiālus un ražošanas metodes, lai radītu karkasus ar pielāgotām mehāniskajām īpašībām. Piemēram, elektro-vērpšana tiek izmantota, lai radītu nanošķiedru karkasus ar augstu stiepes izturību.

4. Mērogojamība:

Audu inženierijas procesu mērogošana, lai ražotu lielu daudzumu audu un orgānu, ir liels izaicinājums. Tradicionālās audu inženierijas metodes bieži ir darbietilpīgas un grūti automatizējamas. Pētnieki izstrādā automatizētus bioreaktorus un 3D biodrukāšanas tehnoloģijas, lai uzlabotu audu inženierijas mērogojamību. Tiek izmantoti nepārtrauktas perfūzijas bioreaktori, lai kultivētu lielus šūnu un audu apjomus.

5. Regulatīvie šķēršļi:

Ar audu inženieriju izgatavotiem produktiem ir piemērojamas stingras regulatīvās prasības, kas var aizkavēt to apstiprināšanu un komercializāciju. Regulatīvās aģentūras, piemēram, FDA Amerikas Savienotajās Valstīs un EMA Eiropā, pieprasa plašus preklīniskos un klīniskos testus, lai nodrošinātu ar audu inženieriju izgatavotu produktu drošību un efektivitāti. Standartizētu testēšanas protokolu un regulatīvo ceļu izstrāde ir izšķiroša, lai paātrinātu audu inženierijas inovāciju pārnesi klīniskajā praksē. Starptautiskā standartizācijas organizācija (ISO) izstrādā standartus ar audu inženieriju izgatavotiem medicīnas produktiem.

Nākotnes virzieni audu inženierijā

Audu inženierijas joma strauji attīstās, un pie apvāršņa ir vairāki aizraujoši notikumi:

1. Personalizētā medicīna:

Audu inženierija virzās uz personalizētu medicīnu, kur audi un orgāni tiek inženierēti īpaši katram pacientam. Tas ietver paša pacienta šūnu un biomateriālu izmantošanu, lai radītu audus, kas ir perfekti pielāgoti viņa individuālajām vajadzībām. Personalizētajai audu inženierijai ir potenciāls samazināt atgrūšanas risku un uzlabot ar audu inženieriju izveidotu implantu ilgtermiņa panākumus. Tiek izmantotas pacientam specifiskas inducētās pluripotentās cilmes šūnas (iPSC), lai radītu personalizētus audus un orgānus.

2. Progresīvi biomateriāli:

Progresīvu biomateriālu izstrāde virza inovācijas audu inženierijā. Pētnieki rada jaunus materiālus ar uzlabotu bioloģisko saderību, bioloģisko noārdīšanos un mehāniskajām īpašībām. Šie materiāli ietver pašorganizējošos peptīdus, formas atmiņas polimērus un bioaktīvo keramiku. Tiek izstrādāti arī viedie biomateriāli, kas reaģē uz vides izmaiņām. Piemēram, materiāli, kas atbrīvo augšanas faktorus, reaģējot uz mehānisko spriegumu.

3. Mikrofluidika un orgāns-uz-čipa:

Mikrofluidiskas ierīces un orgāns-uz-čipa tehnoloģijas tiek izmantotas, lai radītu miniaturizētus cilvēka orgānu modeļus. Šos modeļus var izmantot, lai pētītu audu attīstību, zāļu reakcijas un slimību mehānismus. Orgāns-uz-čipa ierīces var izmantot arī, lai pārbaudītu ar audu inženieriju izgatavotu produktu drošību un efektivitāti. Šīs tehnoloģijas piedāvā efektīvāku un ētiskāku alternatīvu testēšanai ar dzīvniekiem.

4. Gēnu rediģēšana:

Gēnu rediģēšanas tehnoloģijas, piemēram, CRISPR-Cas9, tiek izmantotas, lai modificētu šūnas audu inženierijas vajadzībām. Gēnu rediģēšanu var izmantot, lai uzlabotu šūnu proliferāciju, diferenciāciju un matricas veidošanos. To var izmantot arī, lai labotu ģenētiskos defektus šūnās, kas tiek izmantotas audu inženierijā. Ar gēniem rediģētas šūnas var izmantot, lai radītu audus, kas ir izturīgi pret slimībām.

5. Mākslīgais intelekts (MI) un mašīnmācīšanās (ML):

MI un ML tiek izmantoti, lai paātrinātu audu inženierijas pētījumus. MI algoritmus var izmantot, lai analizētu lielus datu apjomus un identificētu optimālas šūnu, karkasu un signālmolekulu kombinācijas. ML modeļus var izmantot, lai prognozētu inženierēto audu uzvedību un optimizētu audu inženierijas procesus. Ar MI darbinātus bioreaktorus var izmantot, lai automatizētu audu kultivēšanu un uzraudzītu audu attīstību reāllaikā.

Globālās perspektīvas audu inženierijā

Audu inženierijas pētniecība un izstrāde notiek dažādās valstīs visā pasaulē. Katram reģionam ir savas stiprās puses un fokuss.

Ziemeļamerika:

Amerikas Savienotās Valstis ir līderis audu inženierijas pētniecībā un attīstībā. Nacionālie veselības institūti (NIH) un Nacionālais zinātnes fonds (NSF) nodrošina ievērojamu finansējumu audu inženierijas pētījumiem. Vairākas universitātes un pētniecības institūti, piemēram, Masačūsetsas Tehnoloģiju institūts (MIT), Hārvarda universitāte un Kalifornijas universitāte Sandjego, veic progresīvus audu inženierijas pētījumus. ASV ir arī spēcīga rūpniecības bāze, kur tādi uzņēmumi kā Organogenesis un Advanced BioMatrix izstrādā un komercializē ar audu inženieriju izgatavotus produktus.

Eiropa:

Eiropai ir spēcīgas tradīcijas audu inženierijas pētniecībā. Eiropas Savienība (ES) nodrošina finansējumu audu inženierijas projektiem, izmantojot programmu "Apvārsnis Eiropa". Vairākas Eiropas valstis, piemēram, Vācija, Apvienotā Karaliste un Šveice, ir vadošie audu inženierijas pētniecības centri. Eiropas Audu inženierijas biedrība (ETES) veicina sadarbību un zināšanu apmaiņu starp audu inženierijas pētniekiem Eiropā. Ievērojami pētniecības institūti ir Cīrihes universitāte, Kembridžas universitāte un Fraunhofera institūti.

Āzija:

Āzija strauji kļūst par nozīmīgu spēlētāju audu inženierijā. Ķīna, Japāna un Dienvidkoreja veic lielas investīcijas audu inženierijas pētniecībā un attīstībā. Šīm valstīm ir liels talantīgu zinātnieku un inženieru fonds un spēcīga ražošanas bāze. Ķīnas Zinātņu akadēmija, Tokijas universitāte un Korejas Progresīvais zinātnes un tehnoloģiju institūts (KAIST) ir vadošie pētniecības institūti Āzijā. Valdības iniciatīvas atbalsta ar audu inženieriju izgatavotu produktu izstrādi vietējam tirgum un eksportam. Piemēram, Japānas fokuss uz reģeneratīvo medicīnu ir novedis pie ievērojamiem sasniegumiem iPSC tehnoloģijā un tās pielietojumā audu inženierijā.

Austrālija:

Austrālijai ir augoša audu inženierijas pētniecības kopiena. Austrālijas universitātes un pētniecības iestādes veic pētījumus dažādās audu inženierijas jomās, tostarp kaulu, skrimšļu un ādas jomā. Austrālijas Pētniecības padome (ARC) nodrošina finansējumu audu inženierijas pētījumiem. Melburnas universitāte un Sidnejas universitāte ir vadošie pētniecības institūti Austrālijā. Austrālija lielu uzmanību pievērš audu inženierijas inovāciju pārnešanai klīniskajā praksē.

Ētiskie apsvērumi

Audu inženierija rada vairākus ētiskus apsvērumus:

1. Informēta piekrišana:

Pirms ārstēšanas uzsākšanas pacientiem ir jābūt pilnībā informētiem par ar audu inženieriju izgatavoto produktu riskiem un ieguvumiem. Informēta piekrišana ir īpaši svarīga, ja audu inženierijai tiek izmantotas no pacienta iegūtas šūnas. Pacientiem ir jāsaprot, kā tiks izmantotas viņu šūnas, un viņiem ir tiesības jebkurā laikā atsaukt savu piekrišanu.

2. Piekļuve un vienlīdzība:

Ar audu inženieriju izgatavoti produkti bieži ir dārgi, kas rada bažas par piekļuvi un vienlīdzību. Ir svarīgi nodrošināt, lai šie produkti būtu pieejami visiem pacientiem, kuriem tie ir nepieciešami, neatkarīgi no viņu sociāli ekonomiskā stāvokļa. Publiskais finansējums un apdrošināšanas segums var palīdzēt nodrošināt piekļuvi ar audu inženieriju izgatavotiem produktiem.

3. Dzīvnieku labturība:

Dzīvnieku modeļi bieži tiek izmantoti, lai pārbaudītu ar audu inženieriju izgatavotu produktu drošību un efektivitāti. Ir svarīgi samazināt dzīvnieku izmantošanu pētniecībā un nodrošināt, ka pret dzīvniekiem izturas humāni. Pētnieki pēta alternatīvas testēšanas metodes, piemēram, in vitro modeļus un datorsimulācijas, lai samazinātu atkarību no testēšanas ar dzīvniekiem.

4. Intelektuālais īpašums:

Audu inženierija ietver patentētu tehnoloģiju un materiālu izmantošanu, kas rada jautājumus saistībā ar intelektuālo īpašumu. Ir svarīgi līdzsvarot nepieciešamību aizsargāt intelektuālo īpašumu ar nepieciešamību veicināt inovāciju un piekļuvi ar audu inženieriju izgatavotiem produktiem. Atvērtā koda platformas un sadarbības pētniecības modeļi var palīdzēt veicināt inovāciju, vienlaikus nodrošinot piekļuvi būtiskām tehnoloģijām.

Noslēgums

Audu inženierija piedāvā milzīgu potenciālu revolucionizēt medicīnu, sniedzot risinājumus bojātu audu un orgānu atjaunošanai vai aizstāšanai. Lai gan joprojām pastāv ievērojami izaicinājumi, notiekošie pētniecības un attīstības centieni paver ceļu jaunām un inovatīvām terapijām. Tā kā nozare turpina attīstīties, ir ļoti svarīgi risināt ētiskos, regulatīvos un ekonomiskos apsvērumus, lai nodrošinātu, ka audu inženierija nāk par labu visai cilvēcei. Globālā sadarbība starp pētniekiem, klīnicistiem un nozares partneriem būs būtiska, lai pilnībā realizētu audu inženierijas potenciālu un uzlabotu miljoniem cilvēku dzīvi visā pasaulē. Personalizētās medicīnas, progresīvo biomateriālu, MI un gēnu rediģēšanas metožu konverģence veidos audu inženierijas nākotni un tuvinās mūs sapnim par cilvēka audu un orgānu reģenerāciju.