Weefselengineering op nanogestructureerde matrices. Weefselengineering - een venster op de moderne geneeskunde Moderne mogelijkheden van weefselengineering

Weefseltechnologie werd ooit geclassificeerd als een deelgebied van biologische materialen, maar is in omvang en belang gegroeid en kan als een op zichzelf staand deelgebied worden beschouwd. Stoffen vereisen bepaalde mechanische en structurele eigenschappen om goed te kunnen functioneren. De term "tissue engineering" verwijst ook naar de wijziging van specifieke biochemische functies met behulp van cellen in een kunstmatig gecreëerd ondersteuningssysteem (bijvoorbeeld een kunstmatige alvleesklier of een kunstmatige lever). De term ‘regeneratieve geneeskunde’ wordt vaak als synoniem gebruikt met weefselmanipulatie, hoewel regeneratieve geneeskunde meer nadruk legt op het gebruik van stamcellen om weefsel te produceren.

Doorgaans wordt weefselmanipulatie, zoals Langer en Vacanti stellen, gezien als “een interdisciplinair veld dat de principes van techniek en biologie toepast om biologische vervangers te ontwikkelen die de functie van weefsel of een heel orgaan herstellen, behouden of verbeteren.” Weefseltechnologie wordt ook gedefinieerd als "het begrijpen van de principes van weefselgroei en de toepassing ervan op de productie van functionele weefselvervangers voor klinisch gebruik." In meer gedetailleerde beschrijving stelt dat "de basisveronderstelling van tissue engineering is dat het gebruik van natuurlijke biologische systemen zal u in staat stellen meer succes te behalen in de ontwikkeling therapeutische methoden gericht op het vervangen, repareren, behouden en/of uitbreiden van de functie van weefsel."

Cellen kunnen op verschillende manieren uit vloeibare weefsels, zoals bloed, worden verkregen, meestal door centrifugeren. Cellen zijn moeilijker te verkrijgen uit harde weefsels. Meestal wordt het weefsel fijngehakt en vervolgens verteerd met trypsine- of collagenase-enzymen om de extracellulaire matrix die de cellen bevat te verwijderen. Hierna mogen de cellen vrij zweven en worden ze als uit vloeibaar weefsel geëxtraheerd. De reactiesnelheid met trypsine is sterk afhankelijk van de temperatuur, en hoge temperaturen veroorzaken grote schade aan de cellen. Collagenase vereist lage temperaturen en daarom is er minder celverlies, maar de reactie duurt langer en collagenase zelf is een duur reagens. Cellen worden vaak geïmplanteerd in kunstmatige structuren die de vorming van driedimensionaal weefsel kunnen ondersteunen. Deze constructies worden steigers genoemd.

Om het doel van weefselreconstructie te bereiken, moeten steigers aan een aantal specifieke eisen voldoen. Hoge porositeit en gedefinieerde poriegrootte, die nodig zijn om celzaaiing en diffusie door de hele structuur te bevorderen, zowel cellen als voedingsstoffen. Biologische afbreekbaarheid is vaak een belangrijke factor, omdat hout onnodig in omringende weefsels wordt opgenomen chirurgisch verwijderen. De snelheid waarmee de afbraak plaatsvindt moet zo nauw mogelijk samenvallen met de snelheid van weefselvorming: dit betekent dat hoewel de vervaardigde cellen hun eigen natuurlijke matrixstructuur om zich heen hebben gecreëerd, ze al in staat zijn om structurele integriteit in het lichaam te bieden, en uiteindelijk Als gevolg hiervan zal de steiger kapot gaan, waardoor er een nieuw gevormd weefsel overblijft dat de mechanische belasting op zich zal nemen.

Er is onderzoek gedaan naar een verscheidenheid aan steigermaterialen (natuurlijk en synthetisch, biologisch afbreekbaar en permanent). De meeste van deze materialen waren al vóór de opkomst van tissue engineering als onderzoeksonderwerp op medisch gebied bekend en werden bijvoorbeeld al gebruikt bij hechtchirurgie. Om steigers met ideale eigenschappen (biocompatibiliteit, niet-immunogeniciteit, transparantie, enz.) te ontwikkelen, zijn er nieuwe materialen voor ontworpen.

Scaffolds kunnen ook worden geconstrueerd uit natuurlijke materialen: in het bijzonder zijn verschillende extracellulaire matrixderivaten en hun vermogen om celgroei te ondersteunen bestudeerd. Eiwitmaterialen zoals collageen of fibrine en polysachariden zoals chitosan of glycosaminoglycaan (GAG) zijn geschikt in termen van compatibiliteit, maar er blijven nog enkele vragen open. Functionele scaffoldgroepen kunnen nuttig zijn bij het afleveren van kleine moleculen (medicijnen) aan specifieke weefsels.

Koolstof nanobuisjes

Koolstofnanobuisjes zijn verlengde cilindrische structuren met een diameter van één tot enkele tientallen nanometers en een lengte van maximaal enkele centimeters, bestaande uit een of meer hexagonale grafietvlakken die in een buis zijn gerold en meestal eindigen in een halfbolvormige kop, die kan worden beschouwd als een half fullereenmolecuul.

Zoals bekend werd fullereen (C60) in 1985 ontdekt door de groep van Smalley, Kroto en Curl, waarvoor deze onderzoekers in 1996 de onderscheiding ontvingen Nobelprijs in de chemie. Betreft koolstof nanobuisjes, dan is het onmogelijk om de exacte datum van hun opening te noemen. Hoewel het algemeen bekend is dat Iijima in 1991 de structuur van meerwandige nanobuisjes heeft waargenomen, is er eerder bewijs voor de ontdekking van koolstofnanobuisjes. Dus bijvoorbeeld in 1974 - 1975. Endo et al. hebben een aantal artikelen gepubliceerd waarin dunne buizen met een diameter van minder dan 100 nm worden beschreven, vervaardigd door dampcondensatie, maar een meer gedetailleerd onderzoek van de structuur is niet uitgevoerd.

In 1977 registreerde een groep wetenschappers van het Instituut voor Katalyse van de Siberische Tak van de USSR Academy of Sciences, terwijl ze de carbonisatie van ijzer-chroom-dehydrogeneringskatalysatoren onder een microscoop bestudeerden, de vorming van ‘holle koolstofdendrieten’; een mechanisme van formatie werd voorgesteld en de structuur van de muren werd beschreven. In 1992 verscheen een artikel in Nature, waarin werd gesteld dat nanobuisjes in 1953 werden waargenomen. Een jaar eerder, in 1952, rapporteerde een artikel van de Sovjetwetenschappers Radushkevich en Lukyanovich elektronenmicroscopische observatie van vezels met een diameter van ongeveer 100 nm, verkregen uit de thermische ontleding van de oxidekoolstof op een ijzerkatalysator. Ook deze onderzoeken werden niet voortgezet.

Er zijn veel theoretische werken om deze allotrope vorm van koolstof te voorspellen. In zijn werk dacht scheikundige Jones (Dedalus) aan opgerolde buizen van grafiet. In het werk van L.A. Chernozatonsky en anderen, gepubliceerd in hetzelfde jaar als het werk van Iijima, werden koolstofnanobuisjes verkregen en beschreven, en M. Yu. Kornilov voorspelde niet alleen het bestaan ​​van enkelwandige koolstofnanobuisjes in 1986, maar suggereerde ook hun grote elasticiteit.

Nanobuis structuur

Een ideale nanobuis is een grafietvlak dat in een cilinder is gerold, dat wil zeggen een oppervlak bekleed met regelmatige zeshoeken met koolstofatomen op de hoekpunten. Het resultaat van een dergelijke bewerking hangt af van de oriëntatiehoek van het grafietvlak ten opzichte van de as van de nanobuis. De oriëntatiehoek bepaalt op zijn beurt de chiraliteit van de nanobuis, die met name de elektrische eigenschappen ervan bepaalt.

Figuur 1. Een grafietvlak oprollen om een ​​(n, m) nanobuisje te produceren

Om een ​​nanobuisje met chiraliteit (n, m) te verkrijgen, moet het grafietvlak in de richting van de stippellijnen worden gesneden en in de richting van de vector R worden gerold.

Een geordend paar (n, m) dat de coördinaten aangeeft van een zeshoek, die als gevolg van het vouwen van het vlak moet samenvallen met de zeshoek die zich aan de oorsprong van de coördinaten bevindt, wordt de chiraliteit van de nanobuis genoemd en wordt aangeduid. Een andere manier om chiraliteit aan te geven is door de hoek α aan te geven tussen de vouwrichting van het nanobuisje en de richting waarin aangrenzende zeshoeken een gemeenschappelijke zijde delen. In dit geval echter voor volledige beschrijving De geometrie van het nanobuisje moet de diameter ervan aangeven. De chiraliteitsindices van een enkelwandige nanobuis (m, n) bepalen op unieke wijze de diameter D. De aangegeven relatie heeft de volgende vorm:

waarbij d 0 = 0,142 nm de afstand is tussen aangrenzende koolstofatomen in het grafietvlak.

De relatie tussen chiraliteitsindices (m, n) en hoek α wordt gegeven door de relatie:

Onder de verschillende mogelijke vouwrichtingen van nanobuisjes worden die waarvoor de uitlijning van de zeshoek (n, m) met de oorsprong van de coördinaten geen vervorming van de structuur ervan vereist, onderscheiden. Deze richtingen komen in het bijzonder overeen met de hoeken α = 0 (fauteuilconfiguratie) en α = 30° (zigzagconfiguratie). De aangegeven configuraties komen respectievelijk overeen met chiraliteiten (n, 0) en (2m, m).

Enkelwandige nanobuisjes

De structuur van experimenteel waargenomen enkelwandige nanobuisjes verschilt in veel opzichten van het hierboven weergegeven geïdealiseerde beeld. Allereerst gaat het om de hoekpunten van de nanobuis, waarvan de vorm, zoals uit observaties blijkt, verre van een ideale halve bol is. Een speciale plaats onder de enkelwandige nanobuisjes wordt ingenomen door de zogenaamde fauteuil-nanobuisjes of nanobuisjes met chiraliteit (10, 10). In nanobuisjes van dit type zijn twee van de C-C-bindingen in elke zesring evenwijdig aan de lengteas van de buis georiënteerd. Nanobuisjes met een vergelijkbare structuur moeten een puur metallische structuur hebben.

Meerwandige nanobuisjes

Meerwandige nanobuisjes verschillen van enkelwandige nanobuisjes in een veel grotere verscheidenheid aan vormen en configuraties. De verscheidenheid aan structuren komt tot uiting in zowel longitudinale als transversale richtingen. De structuur van het type "Russische poppen" is een verzameling cilindrische buizen die coaxiaal in elkaar zijn genest. Een andere variant van deze structuur is een verzameling coaxiale prisma's die in elkaar zijn genest. Ten slotte lijkt de laatste van de bovenstaande structuren op een boekrol. Alle structuren worden gekenmerkt door een afstand tussen aangrenzende grafietlagen die dichtbij de waarde van 0,34 nm ligt, inherent aan de afstand tussen aangrenzende vlakken van kristallijn grafiet.

De implementatie van een bepaalde structuur van meerwandige nanobuisjes in een specifieke experimentele situatie hangt af van de syntheseomstandigheden. Een analyse van de beschikbare experimentele gegevens geeft aan dat de meest typische structuur van meerwandige nanobuisjes een structuur is met secties van het type "Russische nestpop" en "papier-maché" die afwisselend over de lengte zijn geplaatst. In dit geval worden kleinere “buisjes” achtereenvolgens in grotere buizen gestoken.

Bereiding van koolstofnanobuisjes

De ontwikkeling van methoden voor de synthese van koolstofnanobuisjes (CNT's) heeft het pad gevolgd van het verlagen van de synthesetemperaturen. Na de creatie van de technologie voor de productie van fullerenen werd ontdekt dat tijdens de elektrische boogverdamping van grafietelektroden, samen met de vorming van fullerenen, uitgebreide cilindrische structuren worden gevormd. Microscopist Sumio Iijima was met behulp van een transmissie-elektronenmicroscoop (TEM) de eerste die deze structuren identificeerde als nanobuisjes. Hoge-temperatuurmethoden voor het produceren van CNT's omvatten de elektrische boogmethode. Als je een grafietstaaf (anode) verdampt in een elektrische boog, ontstaat er een harde koolstofophoping (afzetting) op de tegenoverliggende elektrode (kathode), waarvan de zachte kern meerwandige CNT's bevat met een diameter van 15-15 mm. 20 nm en een lengte van meer dan 1 μm. Vorming van CNT's uit fullereenroet bij hoge temperatuur thermische effecten Roet werd voor het eerst waargenomen door de groepen uit Oxford en Zwitserland. De installatie voor elektrische boogsynthese is metaalintensief en energieverbruikend, maar is universeel voor de productie van verschillende soorten koolstofnanomaterialen. In dit geval is een aanzienlijk probleem het niet-evenwicht van het proces tijdens boogverbranding. De elektrische boogmethode verving ooit de methode van laserverdamping (ablatie) door een laserstraal. De ablatie-installatie is een conventionele oven met resistieve verwarming, die een temperatuur van 1200C produceert. Om er hogere temperaturen in te verkrijgen, volstaat het om een ​​koolstofdoel in de oven te plaatsen en erop te richten. laserstraal, waarbij afwisselend het gehele oppervlak van het doel wordt gescand.

Zo verkreeg de groep van Smalley, gebruikmakend van dure installaties met een kortepulslaser, in 1995 nanobuisjes, waardoor de technologie van hun synthese “aanzienlijk werd vereenvoudigd”. De opbrengst aan CNT's bleef echter laag. De introductie van kleine toevoegingen van nikkel en kobalt aan grafiet maakte het mogelijk de opbrengst aan CNT's te verhogen tot 70-90%. Vanaf dit moment begon een nieuwe fase in het begrijpen van het mechanisme van de vorming van nanobuisjes. Het werd duidelijk dat het metaal een katalysator voor groei was. Dit is hoe de eerste werken verschenen over de productie van nanobuisjes volgens een lage temperatuurmethode - de methode van katalytische pyrolyse van koolwaterstoffen (CVD), waarbij metaaldeeltjes uit de ijzergroep als katalysator werden gebruikt. Eén van de installatiemogelijkheden voor het produceren van nanobuisjes en nanovezels volgens de CVD-methode is een reactor waarin een inert draaggas wordt toegevoerd, dat de katalysator en koolwaterstof naar een hogetemperatuurzone transporteert. Vereenvoudigd is het groeimechanisme van CNT's als volgt. De koolstof die wordt gevormd tijdens de thermische ontleding van koolwaterstoffen lost op in het metalen nanodeeltje.

Wanneer een hoge concentratie koolstof in een deeltje wordt bereikt, vindt er een energetisch gunstige “afgifte” van overtollige koolstof plaats op een van de zijden van het katalysatordeeltje in de vorm van een vervormde semifulereenkap. Dit is hoe een nanobuisje ontstaat. De afgebroken koolstof blijft het katalysatordeeltje binnendringen en om de overtollige concentratie ervan in de smelt af te voeren, is het noodzakelijk om er voortdurend vanaf te komen. Een stijgende halve bol (semifullereen) vanaf het oppervlak van de smelt draagt ​​opgeloste overtollige koolstof met zich mee, waarvan de atomen buiten de smelt een C-C-binding vormen, wat een cilindrisch frame-nanobuis is. De smelttemperatuur van een deeltje in een toestand van nanogrootte hangt af van zijn straal. Hoe kleiner de straal, hoe lager de smelttemperatuur. Daarom bevinden ijzeren nanodeeltjes met een grootte van ongeveer 10 nm zich in een gesmolten toestand onder de 60°C. Op dit moment wordt de synthese van CNT's bij lage temperatuur uitgevoerd met behulp van de katalytische pyrolyse van acetyleen in aanwezigheid van Fe-deeltjes bij 55°C. Het verlagen van de synthesetemperatuur heeft ook gevolgen Negatieve gevolgen. Bij lagere temperaturen worden CNT's met een grote diameter (ongeveer 100 nm) en een zeer defecte structuur zoals "bamboe" of geneste nanoconussen verkregen. De resulterende materialen bestaan ​​alleen uit koolstof, maar komen niet eens in de buurt van de buitengewone eigenschappen (bijvoorbeeld de Young-modulus) die worden waargenomen in enkelwandige koolstofnanobuisjes verkregen door laserablatie of elektrische boogsynthese.

Weefselmanipulatieconstructies worden gebruikt om biologische vervangers te creëren om de weefselfunctie te herstellen of te verbeteren. Cellen kunnen, als onderdeel van het construct, uit verschillende bronnen worden verkregen en zich in verschillende stadia van differentiatie bevinden, van slecht gedifferentieerde cellen tot sterk gedifferentieerde gespecialiseerde cellen. De kolonisatie van de bereide matrix door cellen is huidige probleem moderne biogeneeskunde. In dit geval beïnvloeden de eigenschappen van het matrixoppervlak de celkolonisatie, inclusief celhechting en proliferatie door de hele matrix.

Momenteel bekende methoden voor het verkrijgen van weefselmanipulatieconstructen maken gebruik van de bereiding van een suspensie van cellen en de fysieke toepassing van deze suspensie op een biocompatibel materiaal door de geleidelijke afzetting van een suspensiecultuur om een ​​monolaag te vormen en het materiaal gedurende lange tijd in oplossing te brengen. , voldoende voor de penetratie van cellen door het gehele volume van het materiaal, evenals voor het gebruik van 3D-bioprinting. Er zijn verschillende methoden voorgesteld voor de vorming van door weefsel vervaardigde equivalenten van holle inwendige organen, zoals de urethra, blaas, galwegen en luchtpijp.

Klinische onderzoeken[ | ]

Er is onderzoek gedaan naar weefselmanipulatiestructuren op basis van biocompatibele materialen klinische studies bij patiënten met urologische en dermatologische ziekten.

zie ook [ | ]

Opmerkingen [ | ]

1. , Fox C. F. Tissue engineering: proceedings van een workshop, gehouden in Granlibakken, Lake Tahoe, Californië, 26-29 februari 1988. - Alan R. Liss, 1988. - T. 107.
2. Atala A., Kasper F.K., Mikos A.G. Engineering van complexe weefsels // Wetenschappelijk translationele geneeskunde. - 2012. - T. 4, nr. 160. - S.160rv12. -ISSN 1946-6234. - DOI:10.1126/scitranslmed.3004890.
3. Vasyutin IA, Lyndup AV, Vinarov AZ, Butnaru DV, Kuznetsov SL Reconstructie van de urethra met behulp van weefselmanipulatietechnologieën. (Russisch) // Bulletin van de Russische Academie geneeskunde. - 2017. - T. 72, nr. 1. - blz. 17–25. -ISSN2414-3545. -DOI:10.15690/vramn771.
4. Baranovsky D.S., Lyndup AV, Parshin V.D. Het in vitro verkrijgen van functioneel compleet trilhaarepitheel voor weefselmanipulatie van de luchtpijp (Russisch) // Bulletin van de Russische Academie voor Medische Wetenschappen. - 2015. - T. 70, nr. 5. - blz. 561–567. -ISSN2414-3545. - DOI:10.15690/vramn.v70.i5.1442.
5. Lawrence BJ, Madihally SV Celkolonisatie in afbreekbare 3D-poreuze matrices // Celadhesie en -migratie. - 2008. - T. 2, nr. 1. - blz. 9-16.
6. Mironov V. et al. Orgaanprinten: computerondersteunde jet-gebaseerde 3D-weefseltechniek //TRENDS in de biotechnologie. – 2003. – T. 21. – Nee. 4. – blz. 157-161. doi:

IN De laatste tijd Over de hele wereld is er een alarmerend patroon, dat bestaat uit een toename van het aantal ziekten en handicaps van mensen in de werkende leeftijd, wat dringend de ontwikkeling en introductie in de klinische praktijk van nieuwe, effectievere en toegankelijkere methoden vereist. revalidatie behandeling ziek.

Een van deze methoden, naast implantatie en transplantatie, is weefselmanipulatie. Cel- en weefselmanipulatie is de nieuwste vooruitgang op het gebied van moleculaire en cellulaire biologie. Deze aanpak heeft brede perspectieven geopend voor het creëren van effectieve biomedische technologieën, met behulp waarvan het mogelijk wordt beschadigde weefsels en organen te herstellen en een aantal ernstige menselijke stofwisselingsziekten te behandelen.

Het doel van tissue engineering is het ontwerpen en cultiveren van levende, functionele weefsels of organen buiten het menselijk lichaam voor daaropvolgende transplantatie naar een patiënt om de regeneratie van een beschadigd orgaan of weefsel te vervangen of te stimuleren. Met andere woorden: de driedimensionale structuur van het weefsel moet worden hersteld op de plaats van het defect.

Conventionele implantaten gemaakt van inerte materialen kunnen alleen de fysieke en mechanische tekortkomingen van beschadigde weefsels elimineren, in tegenstelling tot kunstmatige weefsels, die onder andere biologische (metabolische) functies herstellen. Dat wil zeggen dat er weefselregeneratie plaatsvindt, en niet de eenvoudige vervanging ervan door synthetisch materiaal.

Om methoden van reconstructieve geneeskunde op basis van weefselmanipulatie te ontwikkelen en te verbeteren, is het echter noodzakelijk om nieuwe, zeer functionele materialen te ontwikkelen. Deze materialen die worden gebruikt om bio-implantaten te maken, moeten eigenschappen verlenen aan weefselmanipulatiestructuren die kenmerkend zijn voor levende weefsels. Onder deze kenmerken:

• 1) vermogen tot zelfgenezing;
• 2) het vermogen om de bloedtoevoer op peil te houden;
• 3) het vermogen om structuur en eigenschappen te veranderen als reactie op factoren omgeving, inclusief mechanische belasting.

Het belangrijkste element voor succes is de aanwezigheid van het vereiste aantal functioneel actieve cellen die in staat zijn te differentiëren, het juiste fenotype te behouden en specifieke biologische functies uit te voeren. De bron van cellen kan lichaamsweefsel zijn interne organen. Het is mogelijk om geschikte cellen te gebruiken van een patiënt die reconstructieve therapie nodig heeft, of van naast familielid(autogene cellen). Er kunnen cellen van verschillende oorsprong worden gebruikt, inclusief primaire cellen en stamcellen. Primaire cellen zijn volwassen cellen van een specifiek weefsel die operatief rechtstreeks uit een donororganisme (ex vivo) kunnen worden gehaald. Als primaire cellen worden afgenomen van een specifiek donororganisme, en het vervolgens nodig is om deze cellen daarin als ontvanger te implanteren, wordt de kans op afstoting van het geïmplanteerde weefsel geëlimineerd, aangezien de grootst mogelijke immunologische compatibiliteit van de primaire cellen en de ontvanger aanwezig is. Primaire cellen kunnen zich echter in de regel niet delen - hun potentieel voor voortplanting en groei is laag. Bij het in vitro kweken van dergelijke cellen (door middel van weefselmanipulatie) is voor sommige celtypen dedifferentiatie, dat wil zeggen verlies van specifieke, individuele eigenschappen, mogelijk. Chondrocyten die buiten het lichaam worden gekweekt, produceren bijvoorbeeld vaak vezelig in plaats van transparant kraakbeen.

Omdat primaire cellen zich niet kunnen delen en hun specifieke eigenschappen kunnen verliezen, is er behoefte aan alternatieve celbronnen voor de ontwikkeling van celmanipulatietechnologieën. Stamcellen werden zo’n alternatief.

Stamcellen zijn ongedifferentieerde cellen die het vermogen hebben om zich te delen, zichzelf te vernieuwen en te differentiëren tot verschillende soorten gespecialiseerde cellen wanneer ze worden blootgesteld aan specifieke biologische stimuli.

Stamcellen zijn onderverdeeld in ‘volwassen’ en ‘embryonaal’. Embryonale stamcellen worden gevormd uit de binnenste celmassa van de vroege embryonale ontwikkeling, terwijl volwassen stamcellen worden gevormd uit volwassen weefsel, de navelstreng of zelfs foetaal weefsel. Er is echter een ethisch probleem verbonden aan de onvermijdelijke vernietiging van het menselijk embryo bij het verkrijgen van embryonale stamcellen. Daarom verdient het de voorkeur om cellen uit de weefsels van een volwassen organisme te "extraheren". In 2007 ontdekte Shinya Yamanaka van de Universiteit van Kyoto in Japan bijvoorbeeld geïnduceerde pluripotente stamcellen (iPSC's) verkregen uit menselijke integumentaire weefsels (voornamelijk de huid). iPSC's bieden werkelijk ongekende mogelijkheden voor regeneratieve geneeskunde, hoewel er nog veel problemen moeten worden opgelost voordat ze serieus in de medische praktijk terechtkomen.

Om de organisatie te begeleiden, de groei en differentiatie van cellen te behouden tijdens de reconstructie van beschadigd weefsel, is een speciale celdrager vereist: een matrix, een driedimensionaal netwerk dat lijkt op een spons of puimsteen. Om ze te maken, worden biologisch inerte synthetische materialen, materialen op basis van natuurlijke polymeren (chitosan, alginaat, collageen) en biocomposieten gebruikt. Botweefselequivalenten worden bijvoorbeeld verkregen door gerichte differentiatie van beenmergstamcellen, navelstrengbloed of vetweefsel in osteoblasten, die vervolgens worden aangebracht op verschillende materialen die hun deling ondersteunen (bijvoorbeeld donorbot, collageenmatrices, enz.).

Tegenwoordig is een van de tissue engineering-strategieën als volgt:

• 1) selectie en kweek van eigen of donorstamcellen;
• 2) ontwikkeling van een speciale drager voor cellen (matrix) op basis van biocompatibele materialen;
• 3) het aanbrengen van een celcultuur op de matrix en celproliferatie in een bioreactor met speciale kweekomstandigheden;
• 4) directe introductie van een door weefsel ontwikkeld construct in het gebied van het aangetaste orgaan of voorlopige plaatsing in een gebied dat goed wordt voorzien van bloed voor rijping en vorming van microcirculatie in het construct (prefabricage).

Enige tijd na implantatie in het lichaam van de gastheer verdwijnen de matrices volledig (afhankelijk van de snelheid van de weefselgroei) en blijft er alleen nieuw weefsel achter op de plaats van het defect. Het is ook mogelijk om een ​​matrix in te voeren die al gedeeltelijk is gevormd nieuwe stof("biocomposiet"). Uiteraard moet de weefselmanipulatiestructuur na implantatie zijn structuur en functies behouden gedurende een periode die voldoende is om normaal functionerend weefsel op de plaats van het defect te herstellen en te integreren met omringende weefsels. Maar helaas ideale matrices die iedereen tevreden stellen noodzakelijke voorwaarden, zijn nog niet aangemaakt.

Veelbelovende technologieën voor weefselmanipulatie hebben de mogelijkheid geopend om levende weefsels en organen in het laboratorium te creëren, maar de wetenschap staat nog steeds machteloos als het gaat om het creëren van complexe organen. Relatief recentelijk hebben wetenschappers onder leiding van Dr. Gunter Tovar van de Fraunhofer Society in Duitsland echter een enorme doorbraak bereikt op het gebied van weefselmanipulatie: ze ontwikkelden een technologie voor het maken van bloedvaten. Maar het leek erop dat het onmogelijk was om capillaire structuren kunstmatig te creëren, omdat ze flexibel en elastisch moesten zijn. kleine vorm en tegelijkertijd interactie hebben met natuurlijke weefsels. Vreemd genoeg kwamen ze te hulp productie technologieën- rapid prototyping-methode (met andere woorden, 3D-printen). Dit betekent dat een complex 3D-model (in ons geval een bloedvat) met speciale ‘inkt’ op een 3D-inkjetprinter wordt geprint.

De printer legt het materiaal in laagjes neer, en op bepaalde plekken worden de lagen chemisch gebonden. We merken echter op dat voor de kleinste haarvaten 3D-printers nog niet nauwkeurig genoeg zijn. In dit opzicht werd de multifotonpolymerisatiemethode toegepast die in de polymeerindustrie wordt gebruikt. De korte, intense laserpulsen die het materiaal behandelen, prikkelen de moleculen zo sterk dat ze met elkaar interageren en zich in lange ketens met elkaar verbinden. Op deze manier polymeriseert het materiaal en wordt het hard maar elastisch, net als natuurlijke materialen. Deze reacties zijn zo controleerbaar dat ze kunnen worden gebruikt om de kleinste structuren te creëren volgens een driedimensionale ‘blauwdruk’.

En om ervoor te zorgen dat de gecreëerde bloedvaten zich kunnen verbinden met de cellen van het lichaam, worden tijdens de vervaardiging van de bloedvaten gemodificeerde biologische structuren (bijvoorbeeld heparine) en 'anker'-eiwitten daarin geïntegreerd. In de volgende fase worden endotheelcellen (een enkele laag platte cellen die het binnenoppervlak van bloedvaten bekleden) gefixeerd in het systeem van gecreëerde “tubuli”, zodat bloedbestanddelen niet aan de wanden van het vasculaire systeem blijven kleven, maar worden er vrijelijk langs vervoerd.

Het zal echter nog enige tijd duren voordat in het laboratorium gekweekte organen met eigen bloedvaten daadwerkelijk kunnen worden geïmplanteerd.

In het najaar van 2008 voerde het hoofd van de kliniek van de Universiteit van Barcelona (Spanje) en de Medische School van Hannover (Duitsland), professor Paolo Macchiarini, de eerste succesvolle operatie bij transplantatie van een bio-engineered tracheale equivalent aan een patiënt met 3 cm stenose van de linker hoofdbronchus.

Een 7 cm lang segment van de luchtpijp van een kadaver werd als matrix voor het toekomstige transplantaat genomen. Om een ​​natuurlijke matrix te verkrijgen waarvan de eigenschappen superieur zijn aan alles wat uit polymeerbuizen kan worden gemaakt, werd de luchtpijp vrijgemaakt van de omringende luchtpijp. bindweefsel, donorcellen en histocompatibiliteitsantigenen. De reiniging bestond uit 25 devitaliseringscycli met 4% natriumdeoxycholaat en deoxyribonuclease I (het proces duurde 6 weken). Na elke cyclus van devitalisering werd een histologisch onderzoek van het weefsel uitgevoerd om het aantal resterende cellen met kern te bepalen, evenals een immunohistochemisch onderzoek om de aanwezigheid van histocompatibiliteitsantigenen HLA-ABC, HLA-DR, HLA-DP en HLA-DP te bepalen. DQ in het weefsel. Met behulp van een bioreactor naar eigen ontwerp brachten wetenschappers met een spuit uniform een ​​celsuspensie aan op het oppervlak van een langzaam roterend deel van de luchtpijp. Het transplantaat, half ondergedompeld in het kweekmedium, werd vervolgens rond zijn as geroteerd om de cellen afwisselend aan het medium en de lucht bloot te stellen.

Tissue engineering (TI), als discipline, begon zijn geschiedenis in de eerste helft van de 20e eeuw. De basis voor de oprichting ervan waren theoretische en praktische ontwikkelingen in de creatie van ‘kunstmatige’ organen en weefsels en werk aan de transplantatie van cellen en biologisch actieve componenten op dragers om schade in verschillende weefsels van het lichaam te herstellen (Langer R., Vacanti J.P., 1993 ).

Momenteel is weefselmanipulatie een van de jongste takken van de geneeskunde, gebaseerd op de principes van moleculaire biologie en genetische manipulatie. De interdisciplinaire aanpak die daarin wordt gehanteerd, is primair gericht op het creëren van nieuwe biocomposietmaterialen om de verloren functies van individuele weefsels of organen als geheel te herstellen (Spector M., 1999). De basisprincipes van deze aanpak zijn de ontwikkeling en toepassing van dragers gemaakt van biologisch afbreekbare materialen, die in combinatie met donorcellen en/of bioactieve stoffen worden gebruikt bij implantatie in een beschadigd orgaan of weefsel. Bijvoorbeeld bij de behandeling wond proces- dit kunnen collageencoatings zijn met allofibroblasten, en bij vaatchirurgie - kunstmatige bloedvaten met anticoagulantia (Vacanti S.A. et.al., 1993). Daarnaast is een van de serieuze eisen aan dit soort dragermaterialen dat ze een betrouwbare ondersteuning, dat wil zeggen steun en/of structuurvormende functie moeten bieden in het beschadigde gebied van het weefsel of orgaan.

Bijgevolg is een van de belangrijkste taken van tissue engineering bij de behandeling van botpathologieën het creëren van kunstmatige biocomposieten bestaande uit allo- en/of xenomaterialen in combinatie met bioactieve moleculen (botmorfogenetische eiwitten, groeifactoren, enz.) osteogenese. Bovendien moeten dergelijke biomaterialen een aantal noodzakelijke boteigenschappen hebben (Yannas I.V. et.al., 1984; Reddi A.H.et.al., 1987; Reddi A.H., 1998).

Ten eerste moeten ze de omvang van het defect in kaart brengen.

Ten tweede moet het osteoïdductief zijn, dat wil zeggen osteoblasten en mogelijk andere mesenchymale cellen actief aanzetten tot botvorming.

En ten derde om goede indicatoren te hebben voor bio-integratie en biocompatibiliteit, dat wil zeggen afbreekbaar zijn en geen ontstekings- en immuunreacties veroorzaken bij de ontvanger. Laatste kwaliteit meestal alleen bereikt in een biomateriaal door de antigene eigenschappen ervan te verminderen.

De combinatie van al deze eigenschappen maakt het mogelijk dat dergelijke biomaterialen, parallel met de ondersteunende, mechanische functie, zorgen voor bio-integratie: de ingroei van cellen en bloedvaten in de implantaatstructuur met de daaropvolgende vorming van botweefsel.

Het is bekend dat het ondersteunende effect van elk biomateriaal in de regel wordt verzekerd door zijn structurele eigenschappen. Voor biomaterialen houdt deze indicator gewoonlijk verband met de architectuur van het oorspronkelijke weefsel waaruit het is verkregen. Voor bot zijn de belangrijkste parameters van de structurele sterkte de hard-elastische eigenschappen van de botmatrix en de grootte van de poriën daarin (Marra P.G. 1998; Thomson R.C. et.al., 1998).

De meest voorkomende biomaterialen met een duidelijk gedefinieerde ondersteunende functie zijn onder meer kunstmatig en natuurlijk hydroxyapatiet (HA), biokeramiek, polyglycolzuur en collageeneiwitten (Friess W., 1998).

Momenteel worden er veel gebruikt ter vervanging van botdefecten in de chirurgische tandheelkunde, orthopedie en traumatologie. verschillende vormen hydroxyapatiet, verschillend in vorm en grootte van deeltjes. Er wordt aangenomen dat kunstmatig verkregen hydroxyapatiet qua chemische samenstelling en kristallografische kenmerken vrijwel identiek is aan natuurlijk bothydroxyapatiet (Parsons J., 1988). Veel auteurs hebben zowel experimenteel als klinisch aangetoond dat het gebruik van hydroxyapatiet aanzienlijke voordelen heeft ten opzichte van andere implantatiematerialen. De positieve eigenschappen ervan omvatten dus indicatoren als sterilisatiegemak, lange houdbaarheid, hoge mate van biocompatibiliteit en extreem langzame resorptie in het lichaam (Volozhin A.I. et al., 1993). Hydroxyapatiet is een bio-inert materiaal dat zeer compatibel is met bot (Jarcho M. et.al., 1977), zoals blijkt uit experimentele onderzoeken. Tijdens het vervangen van een botdefect in aanwezigheid van GA onder invloed biologische vloeistoffen en weefselenzymen kan hydroxyapatiet gedeeltelijk of volledig worden geresorbeerd (Klein A.A., 1983). Het positieve effect van hydroxyapatiet na implantatie in de botholte wordt blijkbaar niet alleen verklaard door de osteogeleidende eigenschappen van het materiaal, maar ook door het vermogen ervan om eiwitten op het oppervlak te sorberen die osteogenese induceren (Ripamonti U., Reddi A.H., 1992).

Momenteel wordt het grootste deel van de biomaterialen voor het herstel van botdefecten verkregen uit kraakbeen en/of botweefsel van mensen of verschillende dieren. Vaak worden componenten van andere soorten bindweefsel - huid, pezen, hersenvliezen, enz. - gebruikt om composietmaterialen te maken. (Vope P.J., 1979; Yannas I.V. et.al., 1982; Chvapel M., 1982; Goldberg V.M. et.al., 1991; Damien C.J., Parsons J.R., 1991).

Het bekendste moderne biomateriaal is collageen. Het wijdverbreide gebruik ervan in de praktische geneeskunde houdt verband met de ontwikkeling van reconstructieve chirurgie en de zoektocht naar nieuwe materialen die frame- en plastische functies vervullen bij weefselregeneratie. De belangrijkste voordelen van collageen als plastic biomateriaal zijn de lage toxiciteit en antigeniciteit, de hoge mechanische sterkte en de weerstand tegen weefselprothesen (Istranov L.P., 1976). Bronnen van collageen bij de vervaardiging van producten voor plastische chirurgie weefsels die rijk zijn aan dit eiwit dienen - huid, pezen, hartzakje en bot. Een oplossing van huidcollageen geproduceerd door Collagen Corp. wordt veel gebruikt in de medische praktijk. (Palo-Alto USA), onder de namen "Zyderm" en "Zyplast". Op basis van dit collageen zijn verschillende medische producten ontwikkeld, zoals implantaten, wondbedekkingen, chirurgische draden voor het hechten van wondoppervlakken, enz.

In de jaren zeventig van de vorige eeuw werden voor het eerst gegevens verkregen over het effect van collageentransplantaten op het herstel van botweefsel. Er werd gevonden dat collageenimplantaten de proliferatie van fibroblasten en de vascularisatie van nabijgelegen weefsels bevorderen en blijkbaar de vorming van nieuw botweefsel induceren met de daaropvolgende herstructurering ervan (Reddi A.H., 1985). Als snel biologisch afbreekbaar materiaal werd collageen ook in de vorm van een gel gebruikt voor het herstel van botdefecten (De Basso A.M., 1976). De door deze auteur verkregen resultaten suggereerden ook dat preparaten op basis van collageen in staat zijn de regeneratie van botweefsel te stimuleren.

Tegelijkertijd werd, om botweefseldefecten te vervangen, onderzoek gedaan naar het gebruik van biocomposietmaterialen die zowel collageen als hydroxyapatiet bevatten. Ja voor maxillofaciale chirurgie en chirurgische tandheelkunde werden de samenstellingen "Alveloform" en "Bigraft" ontwikkeld, die gezuiverd fibrillair huidcollageen en HA-deeltjes bevatten (Collagen Corp., Palo Alto, VS). Deze biomaterialen werden gebruikt om de alveolaire rand te herstellen tijdens de chirurgische behandeling van patiënten met parodontitis (Krekel G. 1981, Lemons M.M. 1984, Miller E. 1992). Histologische en ultrastructurele studies hebben aangetoond dat de samenstelling - collageen en HA een positief effect heeft op de regeneratie van het kambeen, maar tegelijkertijd vervullen dit soort biomaterialen voornamelijk frame- en geleiderfuncties, dat wil zeggen dat ze hun osteoconductieve eigenschappen vertonen. (Mehlisch DR, 1989). Later kwamen veel andere onderzoekers tot soortgelijke conclusies, en momenteel wordt dit standpunt door de meeste wetenschappers gedeeld (Glimcher M.J., 1987; Friess W., 1992; VaccantiC.A. et.al., 1993).

Volgens een andere groep onderzoekers hebben biocomposietmaterialen die dermaal collageen "Ziderm" en synthetisch hydroxyapatiet bevatten echter bepaalde osgenetische eigenschappen. Zo hebben Katthagen et al. (1984), die het effect bestudeerden van het Kollapat-materiaal dat dermaal collageen type 1 en sterk verspreide hydroxyapatietdeeltjes bevat op het herstel van botdefecten van het dijbeen bij konijnen, ontdekten dat de regeneratie van botweefsel bij proefdieren vijf keer sneller was dan bij de controledieren. Deze experimentele resultaten vormden de basis voor het verdere gebruik van het Kollapat-materiaal in de klinische praktijk.

Het is algemeen bekend dat het meest geschikt voor transplantatie en daaropvolgende bio-integratie ongetwijfeld autotransplantaten zijn, die worden bereid uit de eigen weefsels van de patiënt en dit elimineert volledig de belangrijkste immunologische en meest infectieuze complicaties tijdens daaropvolgende transplantatie (Enneken W.F. et.al., 1980; Summers B.N., Eisenstein S.M., 1989; Reddi A.H., 1985; Goldberg V.M. et.al., 1991). Dergelijke materialen moeten echter onmiddellijk vóór de transplantatie worden voorbereid, anders moet de kliniek over een botbank beschikken om dergelijk biomateriaal op te slaan, wat in werkelijkheid alleen beschikbaar is voor zeer grote medische instellingen vanwege de hoge kosten voor het bereiden en opslaan van deze materialen. Bovendien zijn de mogelijkheden om aanzienlijke hoeveelheden autoloog materiaal te verkrijgen zeer beperkt en wanneer dit wordt verzameld, ondergaat de donor in de regel ernstige chirurgische ingrepen. Dit alles beperkt het wijdverbreide gebruik van autotransplantaten aanzienlijk (Bos G.D. et.al., 1983; Horowitz M.C. 1991). Op het gebied van de behandeling van botpathologieën staat de weefselmanipulatie dus voor een echte uitdaging bij het creëren van biocomposietmaterialen, waarvan het gebruik een oplossing zal bieden voor veel problemen, zowel bij celtransplantatie als bij het stimuleren van botvorming op plaatsen met schade, en bij het verminderen van botvorming. arbeids- en financiële kosten bij het elimineren van botschade bij patiënten van verschillende profielen.

Momenteel zijn er, dankzij de inspanningen van een aantal onderzoekers die werkzaam zijn op het gebied van weefselmanipulatie, biocomposietmaterialen ontwikkeld en geïntroduceerd, waaronder zowel natuurlijke beenmergcellen als stromale osteogene voorlopercellen gekweekt in monolaagbeenmergculturen (Gupta D., 1982). ; Bolder S., 1998). Deze auteurs ontdekten dat het voor succesvolle inductie van osteogenese op de transplantatieplaats noodzakelijk is om een ​​hoge initiële dichtheid van stromale voorlopers te creëren - ongeveer 108 cellen. Het simpelweg introduceren van een suspensie van dergelijke cellen leverde echter geen goede resultaten op. In verband hiermee ontstond er serieus probleem zoeken naar dragers voor celtransplantatie in het lichaam van de ontvanger.

Voor het eerst als zodanig drager, Gupta D. et. al. (1982) stelden voor xenobot te gebruiken dat eerder was ontvet en ontkalkt. Verder werd gevonden dat, afhankelijk van de mate van xenobotzuivering, het percentage hechting van cellulaire elementen aan de drager toeneemt, en dat de cellen veel beter binden aan het organische deel ervan dan aan natuurlijk bothydroxyapatiet (Hofman S., 1999).

Van de synthetische materialen wordt keramiek momenteel op grote schaal gebruikt als drager voor celtransplantatie (Burder S. 1998), een kunstmatig hydroxyapatiet dat wordt verkregen door tricalciumfosfaat bij hoge temperaturen te behandelen.

Huiskaakchirurgen gebruikten vast weefsel als geschikte drager voor de transplantatie van allogene fibroblasten. hersenvliezen en merkte op dat het gebruik van dit transplantaat met allofibroblasten bij de behandeling van matige en ernstige chronische gegeneraliseerde parodontitis een aantal voordelen heeft ten opzichte van andere behandelmethoden (Dmitrieva L.A., 2001).

Eerder werd in een reeks werken over de constructie van ‘kunstmatige huid’ ontdekt dat het succes van het herstel van dit weefsel na beschadiging afhangt van de toestand van de cellulaire micro-omgeving in het beschadigde gebied. Aan de andere kant wordt de micro-omgeving zelf gecreëerd door een optimale combinatie van de belangrijkste componenten van de intercellulaire matrix, zoals collagenen, glycoproteïnen en proteoglycanen (Yannas I. et.al., 1980, 1984; Pruitt B., Levine N. , 1984; Madden M. et al., 1994).

Collageen is een typisch fibrillair eiwit. Het individuele molecuul, tropocollageen, bestaat uit drie spiraalvormige polypeptideketens, a-ketens genoemd, die in elkaar zijn gedraaid tot één gemeenschappelijke helix en worden gestabiliseerd door waterstofbruggen. Elke a-keten bevat gemiddeld ongeveer 1000 aminozuurresiduen. Er zijn twee hoofdcombinaties van ketens in botweefsel: twee λ1 en één λ2 of type 1 collageen en drie λ-1 of type III collageen. Naast de genoemde typen werden andere collageenisovormen in kleine hoeveelheden in het bot aangetroffen (Serov V.P., Shekhter A.B., 1981).

Proteoglycanen zijn complexe verbindingen van polysachariden en eiwitten. De polysachariden waaruit proteoglycanen bestaan, zijn lineaire polymeren opgebouwd uit verschillende disacharide-subeenheden gevormd door uronzuren (glucuronzuur, galacturonzuur en iduronzuur), N-acetylhexosaminen (IM-acetylglucosamine, N-acetyl-galactosamine) en neutrale sachariden (galactose, mannose en xylose). . Deze polysacharideketens worden glycosaminoglycanen genoemd. Ten minste één van de suikers in de disaccharide heeft een negatief geladen carboxyl- of sulfaatgroep (Stacy M, Barker S, 1965). Rijp botweefsel bevat voornamelijk gesulfateerde glycosaminoglycanen (sGAG's), zoals chondroïtine-4- en chondroïtine-6-sulfaten, dermatansulfaat en keratansulfaat. De biosynthese van proteoglycanen in botweefsel wordt voornamelijk uitgevoerd door geactiveerde osteoblasten en, in kleine mate, door volwassen osteocyten (Juliano R., Haskell S., 1993; Wendel M., Sommarin Y., 1998).

De functionele betekenis van gesulfateerde glycosaminoglycanen in bindweefsel (CT) is groot en wordt voornamelijk geassocieerd met de vorming van collageen- en elastinevezels. Gesulfateerde glycosaminoglycanen zijn betrokken bij bijna alle metabolische processen van bindweefsel en kunnen een modulerend effect hebben op de differentiatie van de cellulaire elementen ervan (Panasyuk A.F. et al., 2000). Veel indicatoren voor CT-regeneratie zijn afhankelijk van hun kwalitatieve en kwantitatieve kenmerken in weefsels, evenals van de specifieke kenmerken van interactie met andere componenten van de intercellulaire matrix.

Regeneratie en herstel van botweefsel is een complex van opeenvolgende processen, waaronder zowel de activering van osteogene cellen (rekrutering, proliferatie en differentiatie) als de directe vorming van een gespecialiseerde matrix - de mineralisatie ervan en de daaropvolgende hermodellering van botweefsel. Bovendien staan ​​deze cellen altijd onder controle en invloed van een aantal biologische en mechanische factoren.

Door moderne ideeën Weefselengineering (TI) van botweefsel is gebaseerd op drie basisprincipes om een ​​succesvolle vervanging van dit weefsel te garanderen.

Ten eerste is het belangrijkste principe bij het creëren van biomaterialen en structuren voor implantatie het reproduceren van de basiskenmerken van de natuurlijke botmatrix, omdat het de unieke structuur van botweefsel is die het meest uitgesproken effect heeft op regeneratieprocessen. Het is bekend dat deze kenmerken van de matrix afhangen van de driedimensionale structuur en chemische samenstelling ervan, evenals van de mechanische eigenschappen en het vermogen om de cellulaire vormen van bindweefsel (CT) te beïnvloeden.

De architectuur van de matrix omvat parameters als de oppervlakte-volumeverhouding, de aanwezigheid van een poriënsysteem en, belangrijker nog, de functionele en mechanische eigenschappen ervan. Door deze eigenschappen lijkt de matrix in staat te zijn vasculaire ingroei te reguleren, chemotactische stimuli aan endogene cellen te geven, celhechting te moduleren en deling, differentiatie en daaropvolgende mineralisatie te stimuleren. Er wordt aangenomen dat de driedimensionale structuur van de matrix niet alleen de inductieprocessen kan beïnvloeden, maar ook de regeneratiesnelheid zelf.

Daarom moet een biomateriaal of structuur die is geconstrueerd met behulp van weefselmanipulatie eigenschappen hebben die, onder in vivo omstandigheden, zowel geleidende als inductieve eigenschappen van de natuurlijke matrix kunnen bieden. De eerste omvatten indicatoren als het vermogen om volume te vullen en te behouden, mechanische integratie en het garanderen van permeabiliteit voor cellen en bloedvaten. De tweede hebben een direct of indirect effect op cellulaire vormen, waardoor ze worden gestimuleerd kraakbeen- en/of botweefsel te vormen.

Het volgende belangrijke principe voor het succes van gerichte botweefselmanipulatie is het gebruik van exogene en/of activering van endogene cellen die direct betrokken zijn bij de creatieprocessen van dit weefsel. In dit geval kan de bron van dergelijke cellen het eigen lichaam of het lichaam van een donor zijn. Het gebruik van specifieke celtypen, van pluripotente beenmergstromacellen tot toegewijde osteoblastachtige cellen, is bijvoorbeeld met succes toegepast, zowel in dierproeven als in de kliniek.

In de regel kunnen stromale voorlopercellen bij hertransplantatie in het lichaam differentiëren tot volwassen vormen, een matrix synthetiseren en een cascade van endogene botweefselherstelreacties veroorzaken. Tegelijkertijd omvat een alternatieve kijk op het gebruik van samengestelde biomaterialen hun directe impact op endogene bot- en andere bindweefselcellen, hun rekrutering (aantrekking) naar de implantatiezone, stimulatie van hun proliferatie en toename van hun biosynthetische activiteit, waardoor deze cellen om actief botweefsel te vormen. Bovendien kunnen dergelijke materialen goede celdragers zijn waarop vóór transplantatie stamcellen kunnen worden gekweekt. De laatste sleutel tot het succes van botweefselmanipulatie is het gebruik van bioactieve moleculen, waaronder groeifactoren, cytokines, hormonen en andere bioactieve stoffen.

Voor de inductie van botvorming zijn de meest bekende factoren botmorfogenetische eiwitten, transformerende groeifactor - TGF-β, insuline-achtige groeifactor IGF en vasculaire endotheliale groeifactor VEGF. Daarom kan het biocomposietmateriaal verzadigd en/of bevatten deze bioactieve moleculen in hun structuur, waardoor ze tijdens implantatie kunnen worden gebruikt als opslagplaats voor dergelijke stoffen. Het geleidelijk vrijkomen van deze factoren kan de processen actief beïnvloeden bot herstel. Naast deze stoffen kunnen composietmaterialen micro- en macro-elementen bevatten, evenals andere moleculen (suikers, peptiden, lipiden, enz.) die de verhoogde fysiologische activiteit van cellen bij het herstellen van botweefsel kunnen stimuleren en behouden.

Momenteel zijn er een groot aantal verschillende bioplastic materialen die osteogeleidende en/of osteo-inductieve eigenschappen hebben. Materialen die vrijwel zuiver hydroxyapatiet (HA) bevatten, zoals Osteogaf, Bio-Oss, Osteomin, Ostim, vertonen dus voornamelijk geleidende eigenschappen, hoewel ze in staat zijn een zwak osteo-inductief effect uit te oefenen. Een andere groep materialen bestaat uit geheel of gedeeltelijk gedemineraliseerd botweefsel, evenals combinaties van deze materialen met biologisch actieve stoffen, zoals botmorfogenetische eiwitten en/of groeifactoren [Panasyuk A.F. et al, 2004].

De belangrijkste vereisten voor bioplastic materialen blijven parameters als hun antigene en inductieve eigenschappen. Bovendien vereisen verschillende soorten operaties vaak materialen die, samen met de bovengenoemde indicatoren, goede plastische of sterkte-eigenschappen hebben om de noodzakelijke vormen en configuraties te creëren en te behouden bij het vullen van gaatjes en weefseldefecten.

Rekening houdend met al het bovenstaande heeft het bedrijf "Conectbiopharm" LLC een technologie ontwikkeld voor de productie van botcollageen en botgesulfateerde glycosaminoglycanen (sGAG) en op basis daarvan zijn biocomposiet osteoplastische materialen uit de series "Biomatrix" en "Osteomatrix" vervaardigd . Het belangrijkste verschil tussen deze groepen biomaterialen is dat “Biomatrix” botcollageen en botgesulfateerde glycosaminoglycanen bevat, en “Osteomatrix”, dat dezelfde twee hoofdcomponenten van botweefsel heeft, ook hydroxyapatiet in zijn natuurlijke vorm bevat [Panasyuk A.F. et al, 2004]. De bron van deze biomaterialen zijn sponsachtige en corticale botten van verschillende dieren, maar ook van mensen. Het met deze technologie verkregen botcollageen bevat geen andere eiwitten en is onder in vitro omstandigheden vrijwel onoplosbaar in voldoende geconcentreerde oplossingen van alkaliën en organische zuren.

Deze eigenschap zorgt ervoor dat biomaterialen niet alleen inert zijn in relatie tot immuunsysteem lichaam, maar ook lange tijd na hun implantatie bestand zijn tegen biologische afbraak. Momenteel wordt actief gebruik gemaakt van de methode om cellen te stimuleren met bloedplaatjesrijk plasma (PRP) om de groei van bot en zacht weefsel te versnellen. Deze nieuwe biotechnologie van gerichte weefselmanipulatie en celtherapie is volgens sommige auteurs een echte doorbraak in de chirurgische praktijk. Om dergelijk plasma te verkrijgen is echter bepaalde technische apparatuur nodig, en in sommige gevallen speciaal opgeleide medewerkers. Het gebruik van het Biomatrix-materiaal voor deze doeleinden lost het echte probleem volledig op minimale kosten omdat het niet nodig is bloedplaatjes uit het bloed van de patiënt te isoleren. In een reeks experimenten hebben we vastgesteld dat het Biomatrix-materiaal specifiek daartoe in staat is grote hoeveelheden binden perifere bloedplaatjes (Tabel 1).

Tabel 1. Binding van bloedplaatjes door botcollageen.

* - 6 ml bloed werd geïncubeerd met 1 gram botcollageen (1 gram droog botcollageen neemt een volume in van 2 tot 7 cm³, afhankelijk van de porositeit ervan). De gegevens in de tabel worden weergegeven als het gehalte aan bloedplaatjes in 1 ml bloed nadat het door 1 cm³ botcollageen is geleid.

Zo kan 1 cm³ Biomatrix-biomateriaal bijna alle bloedplaatjes (meer dan 90%) uit 1 ml bloed binden, dat wil zeggen van 226 tot 304 miljoen bloedplaatjes. In dit geval vindt de binding van bloedplaatjes door botcollageen snel plaats en is deze binnen enkele minuten voltooid (grafiek 1).

Grafiek 1. Snelheid van binding van bloedplaatjes aan botcollageen.

Ook werd vastgesteld dat als het Biomatrix-biomateriaal werd gebruikt zonder dat het met anticoagulantia werd bedekt, de vorming van een stolsel vrijwel onmiddellijk optrad. Het is nu bewezen dat de werkconcentratie voor bloedplaatjesrijk plasma begint met 1 miljoen bloedplaatjes per μl. Om bloedplaatjesrijk plasma te verkrijgen, moeten bloedplaatjes daarom gemiddeld vijf keer worden geconcentreerd, maar een dergelijke isolatie vereist zowel aanzienlijke financiële kosten als zeker professionele ervaring. Om bloedplaatjes te activeren en 7 groeifactoren vrij te maken: 3 typen PDGF-aa, -bb, -ab, twee transformerende groeifactoren - TGF-β1 en β2, vasculaire endotheliale groeifactor VEGF en epitheliale groeifactor EGF - rijk aan plasma moet vóór gebruik gestold met bloedplaatjes. Vergeleken met bekende methoden kan het biomateriaal "Biomatrix" de concentratie van bloedplaatjes aanzienlijk verhogen. Tegelijkertijd is collageen juist het eiwit dat de Hageman-factor (XII-bloedstollingsfactor) en het complementsysteem kan activeren.

Het is bekend dat geactiveerde Hageman-factor een cascade van reacties in het bloedstollingssysteem veroorzaakt en leidt tot de vorming van een fibrinestolsel. Deze factor of fragmenten ervan kunnen ook het kallikreïne-kininesysteem van het bloed initiëren. Botcollageen in de samenstelling van de Biomatrix- en Osteomatrix-materialen is dus in staat de belangrijkste bloedplasma-proteolysesystemen te activeren, die verantwoordelijk zijn voor het handhaven van het hemodynamische evenwicht en het verzekeren van de regeneratieve reacties van het lichaam. In tegenstelling tot bloedplaatjesrijk plasma, dat zelf geen osteo-inductief effect heeft, dat wil zeggen geen botvorming kan initiëren zonder de aanwezigheid van botcellen, hebben de Biomatrix- en Osteomatrix-materialen een dergelijk potentieel.

Zo wordt bij intramusculaire implantatie van biomaterialen "Biomatrix" en vooral "Osteomatrix" ectopisch botweefsel gevormd, wat direct de osteo-inductieve activiteit van deze materialen bewijst [Ivanov S.Yu. et al., 2000]. Het gecombineerde gebruik van bloedplaatjesrijk plasma met recombinant botmorfogenetisch eiwit, dat bindweefselcellen kan stimuleren om botweefsel te vormen, lost dit probleem op, maar dit leidt tot een aanzienlijke stijging van de kosten van de techniek. Er moet ook worden opgemerkt dat de materialen van de "Osteomatrix"-serie natuurlijk bothydroxyapatiet bevatten, dat in staat is tot het accumuleren van affiniteit op het oppervlak van door osteoblasten gesynthetiseerde botmorfogenetische eiwitten, en zo bovendien osteogenese te stimuleren ("geïnduceerde osteo-inductie").

Tegelijkertijd wordt het bezwaar over de mogelijkheid van tumorontwikkeling door het gebruik van recombinante eiwitten volledig weggenomen omdat bij een soortgelijk gebruik van de Biomatrix- en Osteomatrix-materialen alleen natuurlijke eiwitten in de implantatiezone aanwezig zijn. natuurlijke oorsprong. Materialen uit de series "Biomatrix" en "Osteomatrix" hebben ook nog een andere unieke kwaliteit: ze zijn in staat gesulfateerde glycosaminoglycanen met affiniteit te binden [Panasyuk A.F., Savashchuk D.A., 2007]. Deze binding vindt, onder omstandigheden die vergelijkbaar zijn met bloedplaatjesbinding, in korte tijd plaats en de hoeveelheid gebonden gesulfateerde glycosaminoglycanen overschrijdt aanzienlijk de fysiologische parameters (Tabel 2).

Tabel 2. Binding van gesulfateerde glycosaminoglycanen door botcollageen.

Het is nu algemeen bekend dat, wanneer ze afzonderlijk worden gebruikt, zowel collageen als hydroxyapatiet voornamelijk osteoconductieve eigenschappen hebben, dat wil zeggen dat ze alleen de rol kunnen spelen van een “faciliterend” materiaal voor de aanmaak van nieuw bot. Deze moleculen kunnen echter ook een zwak osteo-inductief effect hebben op osteoblastische cellen vanwege enkele van hun biologische eigenschappen.

Dit osteo-inductieve effect wordt versterkt door het gecombineerde gebruik van deze twee soorten moleculen. Aan de andere kant, als naast collageen en hydroxyapatiet ook gesulfateerde glycosaminoglycanen aanwezig zijn in biomaterialen, dan zal een dergelijk complex qua structuur dichter bij de natuurlijke botmatrix liggen en daarom zijn functionele kenmerken in een vollediger mate hebben. Het is dus bekend dat gesulfateerde glycosaminoglycanen veel indicatoren van het bindweefselmetabolisme beïnvloeden.

Ze zijn in staat de activiteit van proteolytische enzymen te verminderen, het synergetische effect van deze enzymen en zuurstofradicalen op de intercellulaire matrix te onderdrukken, de synthese van ontstekingsmediatoren te blokkeren door antigene determinanten te maskeren en chemotaxis te annuleren, celapoptose te voorkomen die wordt geïnduceerd door schadelijke factoren, en zoals de lipidensynthese verminderen en daardoor afbraakprocessen voorkomen. Bovendien zijn deze verbindingen direct betrokken bij de constructie van de collageenvezels zelf en de intercellulaire matrix als geheel.

In de vroege stadia van bindweefselbeschadiging fungeren ze als initiatiefnemers van de creatie van een tijdelijke matrix en maken ze het mogelijk om de desintegratie van bindweefsel en de vorming van een ruw litteken te stoppen, en vervolgens te zorgen voor een snellere vervanging ervan door bindweefsel. gebruikelijk voor een bepaald orgel [Panasyuk A.F. et al, 2000]. Helaas is de rol van gesulfateerde glycosaminoglycanen bij de regulatie van osteogenese niet voldoende onderzocht. Er is echter aangetoond dat de belangrijkste kandidaat voor de rol van inductor van ectopische osteogenese in het modelsysteem proteoglycaan is, uitgescheiden door blaasepitheelcellen [Fridenshtein A. .Ya., Lalykina K.S., 1972] .

Andere auteurs delen een soortgelijke mening, in de overtuiging dat proteoglycanen een van de factoren zijn van de stromale micro-omgeving die de hematopoëse en andere histogenese van mesenchymale derivaten reguleert. Bovendien is aangetoond dat chondroïtinesulfaten onder in vitro en in vivo omstandigheden een uitgesproken effect hebben op de botmineralisatie. Zo hebben we ontdekt dat wanneer het Osteomatrix-materiaal wordt blootgesteld aan een kweek van menselijke chondrocyten, hun chondrogene eigenschappen worden geïnduceerd. . Onder invloed van het materiaal vormden menselijke chondrocyten histotypische structuren in kweek, waarbij fosfaatafzetting en mineralisatie van de botmatrix plaatsvonden tijdens de ossificatie ervan.

Verder werd gevonden dat na implantatie van de biomaterialen “Biomatrix”, “Allomatrix-implantaat” en “Osteomatrix” in konijnen, ectopisch bot wordt gevormd en vervolgens wordt gevuld met beenmerg. Bovendien werden deze materialen met succes gebruikt als dragers voor transplantatie van stromale voorloperstamcellen [Ivanov S.Yu. et al., 2000]. Tot op heden hebben deze materialen erkenning gekregen in zowel de tandheelkundige als de orthopedische praktijk [Ivanov S.Yu. et al., 2000, Lekishvili M.V. et al., 2002, Grudyanov A.I. et al., 2003, Asnina S.A. et al., 2004, Vasiliev M.G. et al., 2006]. Ze zijn met hoge efficiëntie gebruikt bij gevallen van osteogenesis imperfecta, handrestauratie, chirurgische behandeling van parodontitis en eliminatie van kaakbotdefecten. Deze biomaterialen zijn, dankzij de ontwikkelde technologie voor hun productie, tot nu toe de enige materialen ter wereld die de collageen- en minerale structuur van natuurlijk bot vrijwel volledig behouden, maar tegelijkertijd zijn deze materialen volledig verstoken van antigeniciteit.

Het grote voordeel van deze biomaterialen is dat ze botgesulfateerde glycosaminoglycanen bevatten, affiniteit gebonden aan collageen en hydroxyapatiet, wat hen aanzienlijk onderscheidt van analogen die in de wereld verkrijgbaar zijn en hun osteogene potentie aanzienlijk verbetert. De gepresenteerde experimentele en klinische gegevens bewijzen dus echt dat, gebaseerd op moderne principes van weefselmanipulatie, binnenlandse biocomposietmaterialen op basis van botcollageen, gesulfateerde glycosaminoglycanen en hydroxyapatiet zijn ontwikkeld en in de klinische praktijk geïntroduceerd. Deze moderne, effectieve en veilige biomaterialen van de nieuwe generatie bieden brede perspectieven voor het oplossen van veel problemen bij het herstel van botweefsel in de traumatologie en orthopedie, maar ook in veel andere gebieden van de chirurgische praktijk.

Het elektronogram (Fig. 1) laat zien dat botcollageenpreparaten een netwerk zijn van geordende bundels en vezels. Tegelijkertijd worden de vezels zelf stevig verpakt in bundels van de tweede orde, zonder breuken of defecten. Qua uiterlijk heeft het materiaal een klassieke poreus-cellulaire structuur, die volledig overeenkomt met de architectuur van natuurlijk spongieus bot en vrij is van bloedvaten, eiwitten, mechanische en andere insluitsels. De poriegrootte varieert van 220 tot 700 micron.

We hebben de biocompatibiliteit van botcollageen beoordeeld met behulp van standaardtests toen het onder de huid van Wistar-ratten werd geïmplanteerd. Met behulp van histomorfologische analyse en scanning-elektronenmicroscopie werd ontdekt dat botcollageen, na anderhalve maand verblijf in het lichaam van de ontvanger, vrijwel niet wordt vernietigd en zijn structuur behoudt.

Afb. 1. Afb. 2.

Zoals te zien is in figuur 2 zijn de poriën, trabeculae en cellen van het geïmplanteerde botcollageen gedeeltelijk gevuld met losse vezelige CT, waarvan de vezels zwak aan het implantaat zijn versmolten. Het is duidelijk zichtbaar dat er een lichte vezelachtige laag omheen wordt gevormd, en in het implantaat zelf wordt de aanwezigheid van een klein aantal cellulaire elementen opgemerkt, waarvan de belangrijkste fibroblasten zijn. Kenmerkend is dat het implantaat niet over vrijwel de gehele lengte is versmolten met het omringende huidweefsel. Deze resultaten duiden duidelijk op de hoge weerstand van dit materiaal tegen biologische afbraak en de volledige bio-inertheid van het omliggende bindweefsel in relatie daarmee.

We hebben onderzoeken uitgevoerd naar het effect van biomaterialen “Biomatrix”, “Allomatrix-implantaat” en “Osteomatrix” op osteoreparatie op een model van segmentale osteotomie met behulp van algemeen aanvaarde methoden (Katthagen B.D., Mittelmeeir H., 1984; Schwarz N. et.al. , 1991). Bij het experiment werden Chinchilla-konijnen met een gewicht van 1,5-2,0 kg gebruikt, die onder intraveneuze anesthesie een segmentale osteotomie van de straal ondergingen.

Twee maanden na de operatie werd de vorming van nieuw botweefsel in het implantatiegebied opgemerkt. In afb. 3 is het resultaat van een histomorfologisch onderzoek van het Allomatrix-implantaatmateriaal na 2 maanden. na operatie. In de proximale zone van het defect is goed ontwikkeld jong botweefsel zichtbaar. Osteoblasten grenzen in grote aantallen aan botbalken.

In de interstitiële substantie worden in de lacunes ostocyten aangetroffen en in de nieuwe botsubstantie worden dicht opeengepakte collageenvezels gevormd. De interstitiële substantie met actieve cellen is goed ontwikkeld. Het implantaatgebied (boven en links) wordt actief herbouwd.

Over het algemeen is er sprake van een versnelde rijping van botweefsel rond het implantaatgebied.

Bovendien bleek dat de poreuze cellulaire structuur van botcollageen niet alleen zorgt voor het behoud van het volume in het defect vanwege de elastische eigenschappen, maar ook voor de optimale mogelijkheid voor de ingroei van bindweefselcellen daarin, de ontwikkeling van bloed vaten en botvorming bij het vervangen van dit defect.

Definitie Een van de gebieden van de biotechnologie die zich bezighoudt met het creëren van biologische vervangers voor weefsels en organen. Beschrijving Het creëren van biologische weefselvervangers (grafts) omvat verschillende fasen: 1) selectie en cultivering van eigen celmateriaal of donorcelmateriaal; 2) ontwikkeling van een speciale drager voor cellen (matrix) op basis van biocompatibele materialen; 3) het aanbrengen van een celcultuur op de matrix en celproliferatie in een bioreactor met speciale kweekomstandigheden; 4) directe introductie van het transplantaat in het gebied van het aangetaste orgaan of voorlopige plaatsing in een gebied dat goed van bloed wordt voorzien voor rijping en vorming van microcirculatie in het transplantaat (prefabricage). Het celmateriaal kan worden weergegeven door cellen van het geregenereerde weefsel of door stamcellen. Voor het maken van entmatrices worden biologisch inerte synthetische materialen, materialen op basis van natuurlijke polymeren (chitosan, alginaat, collageen) en biocomposietmaterialen gebruikt. Botweefselequivalenten worden bijvoorbeeld verkregen door gerichte differentiatie van stamcellen uit beenmerg, navelstrengbloed of vetweefsel. Vervolgens worden de resulterende osteoblasten aangebracht op verschillende materialen die hun deling ondersteunen - donorbot, collageenmatrices, poreus hydroxyapatiet, enz. Levende huidequivalenten die donor- of eigen huidcellen, worden momenteel veel gebruikt in de VS, Rusland en Italië. Deze ontwerpen kunnen de genezing van uitgebreide brandwondenoppervlakken verbeteren. De ontwikkeling van transplantaten wordt ook uitgevoerd in de cardiologie (kunstmatige hartkleppen, reconstructie van grote bloedvaten en capillaire netwerken); om het ademhalingssysteem (larynx, luchtpijp en bronchiën) te herstellen, dunne darm, lever, urinewegorganen, klieren interne secretie en neuronen. Het gebruik van stamcellen wordt veel gebruikt op het gebied van weefselmanipulatie, maar kent zowel ethische (embryonale stamcellen) als genetische beperkingen (in sommige gevallen treedt kwaadaardige deling van stamcellen op). Onderzoek recente jaren toonde aan dat het met behulp van genetische manipulaties mogelijk is om zogenaamde pluripotente stamcellen (iPSc) te verkrijgen uit huidfibroblasten, die qua eigenschappen en potentieel vergelijkbaar zijn met embryonale stamcellen. Metalen nanodeeltjes in weefselmanipulatie worden gebruikt om de celgroei te controleren door deze te beïnvloeden magnetische velden verschillende richtingen. Op deze manier was het bijvoorbeeld mogelijk om niet alleen analogen van leverstructuren te creëren, maar ook complexe structuren zoals elementen van het netvlies. Nanocomposietmaterialen bieden ook oppervlakteruwheid op nanoschaal van matrices voor de effectieve vorming van botimplantaten met behulp van elektronenbundellithografie (EBL). De creatie van kunstmatige weefsels en organen zal de noodzaak van transplantatie van de meeste donororganen wegnemen en zal de levenskwaliteit en overleving van patiënten verbeteren. Auteurs

• Naroditsky Boris Savelievich, doctor in de biologische wetenschappen
• Nesterenko Ljoedmila Nikolajevna, Ph.D.

1. Nanotechnologie in weefselengineering / Nanometer. - URL: http://www.nanometer.ru/2007/10/16/tkanevaa_inzheneria_4860.html (toegangsdatum 10/12/2009)
2. Stamcel / Wikipedia - de gratis encyclopedie. URL: ttp://ru.wikipedia.org/wiki/Stamcellen (toegangsdatum 10/12/2009)

encyclopedisch woordenboek nanotechnologie. - Rusnano. 2010 .

Zie wat “tissue engineering” is in andere woordenboeken:

weefseltechniek- Methoden voor het controleren van lichaamscellen om nieuwe weefsels te vormen of biologisch actieve stoffen tot expressie te brengen. Biotechnologische onderwerpen NL weefselmanipulatie ... Handleiding voor technische vertalers

De term bio-engineering De term in het Engels bio-engineering Synoniemen biomedische technologie Afkortingen Verwante termen biologisch afbreekbare polymeren, biomedische micro-elektromechanische systemen, biomimetica, biomimetische nanomaterialen, ... ...

De term biomimetische nanomaterialen De term in het Engels biomimetische nanomaterialen Synoniemen van biomimetica, biomimetica Afkortingen Verwante termen eiwitten, biologisch afbreekbare polymeren, bio-engineering, biomimetica, biocompatibiliteit, biocompatibel... ... Encyclopedisch woordenboek van nanotechnologie

Vadim Sergejevitsj Repin Geboortedatum: 31 juli 1936 (1936 07 31) (76 jaar oud) Geboorteplaats: USSR Land ... Wikipedia

- (Latijnse placenta, ‘cake’) een embryonaal orgaan bij alle vrouwelijke placentale zoogdieren, sommige buideldieren, hamerhaaivissen en andere levendbarende kraakbeenvissen, evenals levendbarende onychophorans en een aantal andere groepen dieren, waardoor ... ... Wikipedia

Bevat enkele van de meest opmerkelijke huidige gebeurtenissen, prestaties en innovaties op verschillende gebieden moderne technologie. Nieuwe technologieën zijn die technische innovaties die progressieve veranderingen binnen het vakgebied vertegenwoordigen... ... Wikipedia

Artikelenamfifielebiologisch afbreekbare polymerenbiologisch membraanbiologische motorenbiologischeosensorcoatingsbisl... Encyclopedisch woordenboek van nanotechnologie

Artikelen"tweezijdige" deeltjesactumotorenbiologischeebaseerd op nanomaterialenwaterstofbinding... Encyclopedisch woordenboek van nanotechnologie

Artikelen "zachte" chemiebiologisch nanomcoatingsdubbellaagse techniekhybride materialenDNADNA microchipgenafgiftekap... Encyclopedisch woordenboek van nanotechnologie

Dit is een servicelijst met artikelen die is gemaakt om de werkzaamheden aan de ontwikkeling van het onderwerp te coördineren. Deze waarschuwing is niet van toepassing... Wikipedia

Boeken

• Weefseltechniek, creatief team van de show “Breathe Deeper”. Fundamenteel nieuwe aanpak– cel- en weefselmanipulatie – is het nieuwste wapenfeit op het gebied van de moleculaire en cellulaire biologie. Deze aanpak opende brede perspectieven voor het maken van... audioboeken