Ülevaade koetehnoloogiast

Inimkeha võime kudesid ja elundeid taastada on äärmiselt ebaefektiivne ning inimese koe ja elundite kaotamine võib kergesti juhtuda näiteks kaasasündinud defektide, haiguste ja äkiliste traumade tõttu. Kui kude sureb (nn nekroos), ei saa seda enam ellu äratada - kui seda ei eemaldata ega parandata, võib see mõjutada teisi kehapiirkondi, näiteks ümbritsevat kudet, elundeid, luu ja nahka.

Siinkohal on koetehnoloogia kasulik. Biomaterjali (aine, mis interakteerub keha bioloogiliste süsteemidega, nagu rakud ja aktiivsed molekulid) abil saab luua funktsionaalseid kudesid, mis aitavad taastada, parandada või asendada inimese kahjustatud kudesid ja elundeid.

Lühike ajalugu

Koetehnoloogia on suhteliselt uus meditsiinivaldkond, mille uurimistöö algas alles 1980. aastatel. Ameerika biotehnik ja teadlane nimega Yuan-Cheng Fung esitas Riiklikule Teadusfondile (NSF) ettepaneku, et teaduskeskus tuleks pühendada eluskudedele. Fung võttis kasutusele inimkoe mõiste ja laiendas seda rakkude ja elundite vaheliste elusorganismide suhtes.

Selle ettepaneku põhjal sildistas NSF uue teadusuuringute valdkonna moodustamiseks mõiste “koetehnika”. Selle tulemusel loodi Tissue Engineering Society (TESUE), millest hiljem sai Tissue Engineering and Regenerative Medicine International Society (TERMIS).

TERMIS edendab nii haridust kui ka teadustööd koetehnika ja regeneratiivse meditsiini valdkonnas. Regeneratiivne meditsiin viitab laiemale valdkonnale, mis keskendub nii koetehnoloogiale kui ka inimkeha võimele ennast ise tervendada, et taastada kudede, elundite ja inimrakkude normaalne töö.

Koetehnika eesmärk

Koetehnoloogial on meditsiinis ja teadustöös mõned põhifunktsioonid: abistamine kudede või elundite parandamisel, sealhulgas luude parandamine (lubjastunud kude), kõhrkoe, südamekude, kõhunäärmekude ja vaskulaarne kude. Valdkond viib läbi ka tüvirakkude käitumise uuringuid. Tüvirakkudest võib areneda palju erinevat tüüpi rakke ja need võivad aidata kehapiirkondi parandada.

Koetehnoloogia valdkond võimaldab teadlastel luua mudeleid erinevate haiguste, näiteks vähi ja südamehaiguste uurimiseks.

Koetehnika 3D-olemus võimaldab kasvajaarhitektuuri uurida täpsemas keskkonnas. Koetehnoloogia pakub ka keskkonda võimalike uute ravimite testimiseks nende haiguste suhtes.

Kuidas see töötab

Koetehnoloogia protsess on keeruline. See hõlmab 3D-funktsionaalse koe moodustamist, mis aitab keha kude või organit parandada, asendada ja uuendada. Selleks kombineeritakse rakud ja biomolekulid tellingutega.

Tellingud on kunstlikud või looduslikud struktuurid, mis jäljendavad tegelikke elundeid (näiteks neeru või maksa). Nendel tellingutel kasvab kude, et jäljendada asendamist vajavat bioloogilist protsessi või struktuuri. Kui need on kokku ehitatud, konstrueeritakse uus kude, et korrata vana koe seisundit, kui see ei olnud kahjustatud ega haigestunud.

Tellingud, rakud ja biomolekulid

Tellingud, mille tavaliselt moodustavad keharakud, saab ehitada sellistest allikatest nagu kehas olevad valgud, inimese loodud plastid või olemasolevatest tellingutest, näiteks doonorelundist. Doonororgani korral kombineeritakse karkass patsiendi rakkudega, et saada kohandatavad elundid või koed, mille patsiendi immuunsüsteem tõenäoliselt tagasi lükkab.

Sõltumata sellest, kuidas see on moodustatud, saadab just see tellingute struktuur rakkudele sõnumeid, mis aitavad kehas rakkude funktsioone toetada ja optimeerida.

Õigete rakkude korjamine on koetehnika oluline osa. Tüvirakkudel on kaks peamist tüüpi.

Tüvirakkude kaks peamist tüüpi

• Embrüonaalsed tüvirakud: pärinevad embrüotest, tavaliselt munarakkudest, mis on viljastatud in vitro (väljaspool keha).
• Täiskasvanud tüvirakud: leiduvad kehas tavaliste rakkude hulgast - nad võivad surevate rakkude ja koe täiendamiseks paljuneda rakkude jagunemisega.

Praegu tehakse palju uuringuid ka pluripotentsete tüvirakkude kohta (täiskasvanud tüvirakud, mis kutsutakse käituma nagu embrüonaalsed tüvirakud). Teoreetiliselt on pluripotentsete tüvirakkude arv piiramatu ning nende kasutamine ei hõlma inimese embrüote hävitamise küsimust (mis tekitab ka eetilisi probleeme). Tegelikult avaldasid Nobeli preemiaga pärjatud teadlased oma leiud pluripotentsete tüvirakkude ja nende kasutamise kohta.

Üldiselt hõlmavad biomolekulid nelja suurt klassi (kuigi on ka teiseseid klasse): süsivesikud, lipiidid, valgud ja nukleiinhapped. Need biomolekulid aitavad moodustada rakkude struktuuri ja funktsioone. Süsivesikud aitavad organitel nagu aju ja süda funktsioneerida, samuti töötavad süsteemid nagu seede- ja immuunsüsteem.

Valgud pakuvad mikroobide vastaseid antikehi, samuti struktuurilist tuge ja keha liikumist. Nukleiinhapped sisaldavad DNA-d ja RNA-d, andes rakkudele geneetilist teavet.

Meditsiiniline kasutamine

Koetehnikat ei kasutata patsiendi hooldamiseks ega raviks laialdaselt. On olnud mõningaid juhtumeid, kus on kasutatud kudede inseneri naha siirdamisel, kõhre parandamisel, väikeste arterite ja põie põdemisel. Kudede abil konstrueeritud suuremaid elundeid, nagu süda, kopsud ja maks, pole patsientidel veel kasutatud (kuigi need on loodud laborites).

Lisaks koetehnika inseneride kasutamise riskifaktorile on protseduurid äärmiselt kulukad. Kuigi koetehnoloogiast on abi meditsiiniuuringutes, eriti uute ravimvormide testimisel.

Elava ja toimiva koe kasutamine kehavälises keskkonnas aitab teadlastel personaliseeritud meditsiinis kasu saada.

Isikupärane meditsiin aitab välja selgitada, kas mõned ravimid toimivad teatud patsientide jaoks nende geneetilise koostise põhjal paremini, samuti vähendab loomade väljatöötamise ja testimise kulusid.

Koetehnika näited

Riiklik biomeditsiinilise kujutise ja bioinseneri instituudi hiljutine näide koetehnoloogiast sisaldab inimese maksakoe konstrueerimist, mis seejärel implanteeritakse hiirele. Kuna hiir kasutab oma maksa, metaboliseerib inimese maksakude ravimeid, jäljendades seda, kuidas inimesed reageerivad teatud hiire sees olevatele ravimitele. See aitab teadlastel näha, milline võib olla teatud ravimite koostoime ravimitega.

Püüdes ehitada sisseehitatud võrguga koed, katsetavad teadlased printerit, mis muudaks suhkrulahusest vaskulaarse võrgu. Lahus moodustub ja kõveneb insenertehnoloogilises koes, kuni protsessile lisatakse verd, liikudes läbi inimese loodud kanalite.

Lõpuks on instituudi teine ​​projekt patsiendi neerude taastamine patsiendi enda rakkude abil. Uue neerukoe kasvatamiseks kasutasid teadlased doonororganite rakke, et neid kombineerida biomolekulide ja kollageeni karkassiga (doonororganist).

Seejärel testiti selle elundkoe toimimist (näiteks toitainete omastamine ja uriini tootmine) nii rottidel kui ka nende sees. Edusammud selles koetehnika valdkonnas (mis võib toimida sarnaselt ka selliste elundite puhul nagu süda, maks ja kopsud) võivad aidata doonoripuudust ja vähendada elundisiirdamise korral immunosupressiooniga seotud haigusi.

Kuidas see on seotud vähiga

Kasvaja metastaatiline kasv on üks põhjustest, miks vähk on peamine surmapõhjus. Enne koetehnikat suudeti kasvaja keskkond luua väljaspool keha ainult 2D kujul. Nüüd võimaldavad 3D-keskkonnad, samuti teatud biomaterjalide (näiteks kollageeni) väljatöötamine ja kasutamine uurijatel uurida kasvaja keskkonda kuni teatud rakkude mikrokeskkonnani, et näha, mis juhtub haigusega, kui rakkudes muudetakse teatud keemilisi koostisi .

Sel moel aitab koetehnika teadlastel mõista nii vähi progresseerumist kui ka seda, milline võib olla teatud terapeutiliste lähenemisviiside mõju sama tüüpi vähiga patsientidele.

Kuigi vähi uurimisel on koetehnika abil tehtud edusamme, võib kasvaja kasv sageli põhjustada uute veresoonte moodustumist. See tähendab, et isegi vähiuuringutega koetehnoloogia edusammude korral võib esineda piiranguid, mida saab kõrvaldada ainult implanteeritud koe elusorganismi implanteerimisega.

Vähi korral võib koetehnika aidata kindlaks teha, kuidas need kasvajad tekivad, milline peaks olema rakkude normaalne interaktsioon, samuti kuidas vähirakud kasvavad ja metastaseeruvad. See aitab teadlastel testida ravimeid, mis mõjutavad ainult vähirakke, erinevalt kogu elundist või kehast.