Overzicht van Tissue Engineering

Het vermogen van het menselijk lichaam om weefsels en organen te regenereren is uiterst inefficiënt en het verliezen van menselijke weefsels en organen kan gemakkelijk gebeuren door zaken als aangeboren afwijkingen, ziekten en plotselinge trauma's. Wanneer weefsel sterft (necrose genaamd), kan het niet tot leven worden gebracht - als het niet wordt verwijderd of gerepareerd, kan het andere delen van het lichaam aantasten, zoals het omliggende weefsel, organen, botten en huid.
Dit is waar tissue engineering nuttig is. Door gebruik te maken van biomateriaal (materie die interageert met de biologische systemen van het lichaam, zoals cellen en actieve moleculen), kunnen functionele weefsels worden gemaakt om beschadigd menselijk weefsel en organen te herstellen, te herstellen of te vervangen.

Een korte geschiedenis

Tissue engineering is een relatief nieuw gebied van de geneeskunde, met onderzoek dat pas in de jaren tachtig begint. Een Amerikaanse bio-ingenieur en wetenschapper genaamd Yuan-Cheng Fung diende een voorstel in bij de National Science Foundation (NSF) voor een onderzoekscentrum dat gewijd is aan levende weefsels. Fung nam het concept van menselijk weefsel en breidde het uit om van toepassing te zijn op elk levend organisme tussen cellen en organen.
Op basis van dit voorstel noemde de NSF de term 'tissue engineering' in een poging een nieuw veld van wetenschappelijk onderzoek te vormen. Dit leidde tot de oprichting van The Tissue Engineering Society (TES), die later de Tissue Engineering and Regenerative Medicine International Society (TERMIS) werd.
TERMIS bevordert zowel onderwijs als onderzoek op het gebied van tissue engineering en regeneratieve geneeskunde. Regeneratieve geneeskunde verwijst naar een breder veld dat zich richt op zowel weefseltechnologie als het vermogen van het menselijk lichaam om zichzelf te helen om de normale functie van weefsels, organen en menselijke cellen te herstellen.

Doel van Tissue Engineering

Weefseltechnologie heeft enkele hoofdfuncties in geneeskunde en onderzoek: helpen bij weefsel- of orgaanreparatie, waaronder botreparatie (verkalkt weefsel), kraakbeenweefsel, hartweefsel, pancreasweefsel en vaatweefsel. Het veld doet ook onderzoek naar stamcelgedrag. Stamcellen kunnen zich ontwikkelen tot veel verschillende soorten cellen en kunnen helpen bij het herstel van delen van het lichaam.
Op het gebied van tissue engineering kunnen onderzoekers modellen maken om verschillende ziekten te bestuderen, zoals kanker en hartaandoeningen.
Door de 3D-aard van tissue engineering kan de tumorarchitectuur in een meer accurate omgeving worden bestudeerd. Tissue engineering biedt ook een omgeving om potentiële nieuwe geneesmiddelen op deze ziekten te testen.

Hoe het werkt

Het proces van tissue engineering is gecompliceerd. Het gaat om het vormen van een 3D-functioneel weefsel om een ​​weefsel of een orgaan in het lichaam te helpen repareren, vervangen en regenereren. Hiervoor worden cellen en biomoleculen gecombineerd met scaffolds.
Steigers zijn kunstmatige of natuurlijke structuren die echte organen nabootsen (zoals de nier of de lever). Het weefsel groeit op deze steigers om het biologische proces of de structuur na te bootsen die moet worden vervangen. Wanneer deze samen worden geconstrueerd, wordt nieuw weefsel ontworpen om de staat van het oude weefsel te repliceren wanneer het niet beschadigd of ziek was.

Scaffolds, Cells en Biomolecules

Steigers, die normaal worden gecreëerd door cellen in het lichaam, kunnen worden opgebouwd uit bronnen zoals eiwitten in het lichaam, door de mens gemaakte kunststoffen of uit een bestaande scaffold, zoals een uit een donororgel. In het geval van een donororgaan zou de scaffold worden gecombineerd met cellen van de patiënt om aanpasbare organen of weefsels te maken die waarschijnlijk door het immuunsysteem van de patiënt worden afgestoten..
Ongeacht hoe het is gevormd, het is deze steigerstructuur die berichten naar de cellen verzendt die helpen bij het ondersteunen en optimaliseren van celfuncties in het lichaam.
Het kiezen van de juiste cellen is een belangrijk onderdeel van tissue engineering. Er zijn twee hoofdtypen van stamcellen.

Twee hoofdtypen stamcellen

• Embryonale stamcellen: afkomstig van embryo's, meestal in eieren die in vitro (buiten het lichaam) zijn bevrucht.
• Volwassen stamcellen: te vinden in het lichaam tussen normale cellen - ze kunnen zich vermenigvuldigen door celdeling om stervende cellen en weefsel aan te vullen.

Er wordt momenteel ook veel onderzoek gedaan naar pluripotente stamcellen (volwassen stamcellen die worden geïnduceerd om zich te gedragen als embryonale stamcellen). In theorie is er een onbeperkt aanbod van pluripotente stamcellen en het gebruik ervan houdt niet het probleem in van het vernietigen van menselijke embryo's (wat ook een ethisch probleem veroorzaakt). In feite hebben Nobelprijswinnende onderzoekers hun bevindingen vrijgegeven over pluripotente stamcellen en hun toepassingen.
Over het algemeen omvatten biomoleculen vier hoofdklassen (hoewel er ook secundaire klassen zijn): koolhydraten, lipiden, eiwitten en nucleïnezuren. Deze biomoleculen helpen de celstructuur en -functie te verzachten. Koolhydraten helpen organen zoals de hersenen en de hartfunctie, evenals systemen zoals de spijsvertering en het immuunsysteem.
Eiwitten bieden antistoffen tegen ziektekiemen, evenals structurele ondersteuning en lichaamsbeweging. Nucleïnezuren bevatten DNA en RNA, waardoor genetische informatie aan cellen wordt gegeven.

Medisch gebruik

Weefseltechnologie wordt niet veel gebruikt voor patiëntenzorg of behandeling. Er zijn een paar gevallen geweest waarbij weefselengineering werd toegepast bij huidtransplantaties, kraakbeenherstel, kleine slagaders en blazen bij patiënten. Echter, weefsel-geconstrueerde grotere organen zoals het hart, de longen en de lever zijn nog niet gebruikt bij patiënten (hoewel ze zijn gemaakt in laboratoria).
Afgezien van de risicofactor van het gebruik van tissue engineering bij patiënten, zijn de procedures buitengewoon duur. Hoewel tissue engineering nuttig is als het gaat om medisch onderzoek, met name bij het testen van nieuwe medicijnformuleringen.
Het gebruik van levend, functionerend weefsel in een omgeving buiten het lichaam helpt onderzoekers om te slagen in gepersonaliseerde geneeskunde.
Gepersonaliseerd medicijn helpt bepalen of sommige medicijnen beter werken voor bepaalde patiënten op basis van hun genetische samenstelling, en vermindert de kosten van ontwikkeling en testen op dieren.

Voorbeelden van Tissue Engineering

Een recent voorbeeld van weefselmanipulatie uitgevoerd door het National Institute of Biomedical Imaging en Bioengineering omvat de engineering van een menselijk leverweefsel dat vervolgens in een muis wordt geïmplanteerd.Omdat de muis zijn eigen lever gebruikt, metaboliseert het menselijke leverweefsel geneesmiddelen en bootst daarmee na hoe mensen zouden reageren op bepaalde medicijnen in de muis. Dit helpt onderzoekers te zien welke mogelijke interacties tussen geneesmiddelen er mogelijk zijn met een bepaald medicijn.
In een poging om weefsel met een ingebouwd netwerk te maken, testen onderzoekers een printer die een vasculair netwerk uit een suikeroplossing zou maken. De oplossing zou zich vormen en uitharden in het gemanipuleerde weefsel totdat bloed aan het proces wordt toegevoegd, waarbij het door de door de mens gemaakte kanalen reist.
Ten slotte is het regenereren van de nieren van een patiënt met behulp van de eigen cellen van de patiënt een ander project van het Instituut. Onderzoekers gebruikten cellen van donororgels om te combineren met biomoleculen en een collageensteiger (van het donororgaan) om nieuw nierweefsel te laten groeien.
Dit orgaanweefsel werd vervolgens getest op functioneren (zoals het absorberen van voedingsstoffen en het produceren van urine) zowel aan de buitenkant als vervolgens aan de binnenkant van ratten. Vooruitgang op dit gebied van weefseltechnologie (die ook op vergelijkbare wijze kan werken voor organen zoals het hart, de lever en de longen) zou kunnen helpen bij donortekorten, evenals het verminderen van eventuele ziekten die verband houden met immunosuppressie bij orgaantransplantatiepatiënten..

Hoe het zich verhoudt tot kanker

Gemetastaseerde tumorgroei is een van de redenen dat kanker een belangrijke doodsoorzaak is. Vóór weefselmanipulatie konden tumoromgevingen alleen in 2D-vorm buiten het lichaam worden gecreëerd. Nu laten 3D-omgevingen, evenals de ontwikkeling en het gebruik van bepaalde biomaterialen (zoals collageen), onderzoekers kijken naar de omgeving van een tumor tot in de micro-omgeving van bepaalde cellen om te zien wat er met de ziekte gebeurt wanneer bepaalde chemische samenstellingen in cellen worden veranderd.
Op deze manier helpt weefseltechnologie onderzoekers om zowel de progressie van kanker te begrijpen als wat de effecten van bepaalde therapeutische benaderingen kunnen zijn op patiënten met hetzelfde type kanker..
Hoewel er vooruitgang is geboekt bij het bestuderen van kanker door weefselmanipulatie, kan tumorgroei vaak leiden tot de vorming van nieuwe bloedvaten. Dit betekent dat zelfs met de vorderingen die weefseltechnologie heeft gemaakt met kankeronderzoek, er beperkingen kunnen zijn die alleen kunnen worden geëlimineerd door het gemanipuleerde weefsel in een levend organisme te implanteren..
Met kanker kan weefseltechnologie echter helpen vaststellen hoe deze tumoren zich vormen, hoe normale celinteracties eruit moeten zien en hoe kankercellen groeien en metastaseren. Dit helpt onderzoekers medicijnen te testen die alleen kankercellen kunnen beïnvloeden, in tegenstelling tot het hele orgaan of lichaam.
Nieuwe manieren voor biomaterialen veranderen de gezondheidszorg