Pārskats par audu inženieriju

Cilvēka ķermeņa spēja atjaunot audus un orgānus ir ārkārtīgi neefektīva, un cilvēka audu un orgānu zaudēšana var notikt viegli tādu lietu dēļ kā iedzimti defekti, slimības un pēkšņas traumas. Kad audi mirst (ko sauc par nekrozi), tos nevar atdzīvināt - ja tie netiek noņemti vai laboti, tie var ietekmēt citas ķermeņa vietas, piemēram, apkārtējos audus, orgānus, kaulus un ādu.

Šeit ir noderīga audu inženierija. Izmantojot biomateriālu (vielu, kas mijiedarbojas ar ķermeņa bioloģiskajām sistēmām, piemēram, šūnām un aktīvajām molekulām), var izveidot funkcionālus audus, kas palīdz atjaunot, labot vai aizstāt bojātos cilvēka audus un orgānus.

Īsa vēsture

Audu inženierija ir samērā jauna medicīnas joma, un pētījumi sākas tikai 1980. gados. Amerikāņu bioinženieris un zinātnieks Yuan-Cheng Fung iesniedza Nacionālajam zinātnes fondam (NSF) priekšlikumu par pētījumu centra izveidi dzīviem audiem. Fung pārņēma cilvēka audu jēdzienu un paplašināja to, lai to attiecinātu uz jebkuru dzīvo organismu starp šūnām un orgāniem.

Pamatojoties uz šo priekšlikumu, NSF apzīmēja terminu “audu inženierija”, cenšoties izveidot jaunu zinātnisko pētījumu jomu. Tas noveda pie Audu inženieru biedrības (TES) izveidošanās, kas vēlāk kļuva par Starptautisko audu inženierijas un reģeneratīvās medicīnas biedrību (TERMIS).

TERMIS veicina gan izglītību, gan pētījumus audu inženierijas un reģeneratīvās medicīnas jomā. Reģeneratīvā medicīna attiecas uz plašāku jomu, kas koncentrējas gan uz audu inženieriju, gan arī uz cilvēka ķermeņa spēju pašārstēties, lai atjaunotu normālu audu, orgānu un cilvēka šūnu darbību.

Audu inženierijas mērķis

Audu inženierijai medicīnā un pētniecībā ir dažas galvenās funkcijas: palīdzība audu vai orgānu labošanā, ieskaitot kaulu atjaunošanu (pārkaļķotus audus), skrimšļa audus, sirds audus, aizkuņģa dziedzera audus un asinsvadu audus. Šajā jomā tiek veikti arī cilmes šūnu uzvedības pētījumi. Cilmes šūnas var attīstīties daudzos dažādu veidu šūnās un var palīdzēt atjaunot ķermeņa vietas.

Audu inženierijas joma ļauj pētniekiem izveidot modeļus dažādu slimību, piemēram, vēža un sirds slimību, izpētei.

Audu inženierijas 3D raksturs ļauj pētīt audzēja arhitektūru precīzākā vidē. Audu inženierija nodrošina arī vidi, lai pārbaudītu potenciālos jaunos medikamentus šīm slimībām.

Kā tas strādā

Audu inženierijas process ir sarežģīts. Tas ietver 3D funkcionālo audu izveidošanu, lai palīdzētu salabot, aizstāt un atjaunot audus vai orgānu organismā. Lai to izdarītu, šūnas un biomolekulas tiek apvienotas ar sastatnēm.

Sastatnes ir mākslīgas vai dabiskas struktūras, kas imitē reālos orgānus (piemēram, nieres vai aknas). Uz šiem sastatnēm audi aug, lai atdarinātu bioloģisko procesu vai struktūru, kas jāaizstāj. Kad tie tiek veidoti kopā, tiek izveidoti jauni audi, kas atkārto veco audu stāvokli, kad tie nav bojāti vai slimi.

Sastatnes, šūnas un biomolekulas

Sastatnes, kuras parasti veido ķermeņa šūnas, var būvēt no tādiem avotiem kā ķermeņa olbaltumvielas, mākslīgās plastmasas vai no esošajām sastatnēm, piemēram, no donora orgāna. Donora orgāna gadījumā sastatnes tiktu apvienotas ar pacienta šūnām, lai izveidotu pielāgojamus orgānus vai audus, kurus pacienta imūnsistēma, iespējams, noraidīs.

Neatkarīgi no tā, kā tā veidojas, tieši šī sastatņu struktūra nosūta ziņojumus šūnām, kas palīdz atbalstīt un optimizēt šūnu funkcijas organismā.

Pareizo šūnu savākšana ir svarīga audu inženierijas sastāvdaļa. Ir divi galvenie cilmes šūnu veidi.

Divi galvenie cilmes šūnu veidi

• Embrionālās cilmes šūnas: rodas no embrijiem, parasti no olām, kas apaugļotas in vitro (ārpus ķermeņa).
• Pieaugušo cilmes šūnas: atrodamas ķermeņa iekšpusē starp parastajām šūnām - tās var pavairot ar šūnu dalīšanos, lai papildinātu mirstošās šūnas un audus.

Pašlaik tiek veikti daudzi pētījumi arī par pluripotentajām cilmes šūnām (pieaugušo cilmes šūnām, kas tiek uzvestas kā embrija cilmes šūnas). Teorētiski ir neierobežots pluripotentu cilmes šūnu daudzums, un to izmantošana neietver jautājumu par cilvēka embriju iznīcināšanu (kas rada arī ētisku problēmu). Faktiski Nobela prēmijas laureāti pētnieki publiskoja savus secinājumus par pluripotentajām cilmes šūnām un to lietošanu.

Kopumā biomolekulas ietver četras galvenās klases (lai gan ir arī sekundārās klases): ogļhidrāti, lipīdi, olbaltumvielas un nukleīnskābes. Šīs biomolekulas palīdz veidot šūnu struktūru un darbību. Ogļhidrāti palīdz orgāniem, piemēram, smadzenēm un sirdij, kā arī darbojas kā gremošanas un imūnsistēma.

Olbaltumvielas nodrošina antivielas pret baktērijām, kā arī strukturālu atbalstu un ķermeņa kustību. Nukleīnskābes satur DNS un RNS, sniedzot šūnām ģenētisko informāciju.

Medicīniska lietošana

Audu inženierija netiek plaši izmantota pacientu aprūpei vai ārstēšanai. Ir bijuši daži gadījumi, kad audu inženierija ir izmantota ādas potēšanai, skrimšļa atjaunošanai, mazām artērijām un pūslīšiem pacientiem. Tomēr lielāki audu inženierijas orgāni, piemēram, sirds, plaušas un aknas, pacientiem vēl nav izmantoti (lai gan tie ir izveidoti laboratorijās).

Papildus audu inženierijas izmantošanas riska faktoram pacientiem procedūras ir ārkārtīgi dārgas. Lai gan audu inženierija ir noderīga, kad runa ir par medicīnisko izpēti, it īpaši, pārbaudot jaunas zāļu formas.

Dzīvu, funkcionējošu audu izmantošana ārpus ķermeņa esošiem apstākļiem palīdz pētniekiem gūt labumu personalizētajā medicīnā.

Personalizētā medicīna palīdz noteikt, vai dažas zāles labāk darbojas dažiem pacientiem, pamatojoties uz viņu ģenētisko sastāvu, kā arī samazina izstrādes un testēšanas izmaksas ar dzīvniekiem.

Audu inženierijas piemēri

Nesenais Nacionālās biomedicīniskās attēlveidošanas un bioinženierijas institūta veiktais audu inženierijas piemērs ietver cilvēka aknu audu inženieriju, kas pēc tam tiek implantēta pelē. Tā kā pele izmanto savas aknas, cilvēka aknu audi metabolizē narkotikas, atdarinot to, kā cilvēki reaģētu uz noteiktiem medikamentiem peles iekšpusē. Tas palīdz pētniekiem redzēt, kāda varētu būt zāļu mijiedarbība ar noteiktiem medikamentiem.

Cenšoties izveidot audus ar iebūvētu tīklu, pētnieki testē printeri, kas no cukura šķīduma izveidotu asinsvadiem līdzīgu tīklu. Šķīdums veidotos un sacietētu inženierijas audos, līdz procesam tiek pievienotas asinis, kas pārvietojas pa cilvēka radītajiem kanāliem.

Visbeidzot, vēl viens institūta projekts ir pacienta nieru atjaunošana, izmantojot paša pacienta šūnas. Pētnieki izmantoja donoru orgānu šūnas, lai tās apvienotu ar biomolekulām un kolagēna sastatnēm (no donora orgāna), lai audzētu jaunus nieru audus.

Pēc tam šo orgānu audu darbību pārbaudīja (piemēram, barības vielu absorbēšana un urīna ražošana) gan žurkām, gan ārpus tām. Progress šajā audu inženierijas jomā (kas var līdzīgi darboties arī tādiem orgāniem kā sirds, aknas un plaušas) varētu palīdzēt novērst donoru trūkumu, kā arī samazināt visas slimības, kas saistītas ar imūnsupresiju orgānu transplantācijas pacientiem.

Kā tas ir saistīts ar vēzi

Metastātiska audzēja augšana ir viens no iemesliem, kāpēc vēzis ir galvenais nāves cēlonis. Pirms audu inženierijas audzēja vidi ārpus ķermeņa varēja izveidot tikai 2D formā. Tagad 3D vide, kā arī noteiktu biomateriālu (piemēram, kolagēna) izstrāde un izmantošana ļauj pētniekiem apskatīt audzēja vidi līdz noteiktu šūnu mikrovidei, lai redzētu, kas notiek ar slimību, ja šūnās tiek mainīti noteikti ķīmiskie sastāvi .

Tādā veidā audu inženierija palīdz pētniekiem saprast gan vēža progresēšanu, gan to, kāda varētu būt noteiktu terapeitisko pieeju ietekme uz pacientiem ar tāda paša veida vēzi.

Kaut arī vēža izpēte ir notikusi, izmantojot audu inženieriju, audzēja augšana bieži var izraisīt jaunu asinsvadu veidošanos. Tas nozīmē, ka pat tad, ja audu inženierija ir sasniegusi vēža pētījumus, var būt ierobežojumi, kurus var novērst tikai implantējot inženierijas audus dzīvā organismā.

Ar vēzi audu inženierija tomēr var palīdzēt noteikt, kā šie audzēji veidojas, kādai jābūt normālai šūnu mijiedarbībai, kā arī vēža šūnu augšanai un metastāzēm. Tas palīdz pētniekiem pārbaudīt zāles, kas ietekmēs tikai vēža šūnas, atšķirībā no visa orgāna vai ķermeņa.