Vevsteknisk teknologi. Det 21. århundres medisin: stamceller, nanodiamanter og vevsteknikk

Hva hvis vi kunne vokse kroppsdeler, som en sjøstjerne? Er dette fantasi eller virkelighet? "TIL & Z" bestemte seg for å finne ut hva det er vevsteknikk, og viktigst av alt, er det tilgjengelig i Russland?

Hva er vevsteknikk

Faktisk er kroppen vår i stand til regenerering, dessuten gjør den dette hver dag: bein gjenopprettes hvert tiende år, og huden endres annenhver uke. Men dette er selvfølgelig ikke nok. På grunn av sykdommer, skader og rett og slett med alderen, ødelegges vev og hele organer og dør. Hvordan bremse denne prosessen og gjenopprette det som ikke lenger er der? Disse problemene løses av den avanserte retningen for regenerativ medisin - vevsteknikk, som gjør det mulig å fylle opp tapt hud og deler av organer, for eksempel hjertet eller blæren.

Hvorfor er vevsteknikk nødvendig?

Vevsnekrose på grunn av sykdom, skade eller medfødte anomalier er det største helseproblemet på verdensbasis. Behovet for transplantasjon øker eksponentielt i alle land. Klassisk moderne medisin kurerer mange kroniske sykdommer på dette øyeblikket ute av stand - bare korrigerende prosedyrer er mulig, men å finne en fullt kompatibel donor er også en utfordring.

I dag er en av hovedmetodene for å gjenopprette organer og vev i tilfeller der transplantasjon av eget materiale er umulig, transplantasjonen - fra en levende giver eller en nylig avdød person. Det viktigste i denne prosessen er maksimal biologisk kompatibilitet for giveren og mottakeren. Men selv i dette tilfellet vil immunsystemet motstå og forstyrre transplantasjonen av det transplanterte organet eller vevet. Derfor foreskrives pasienter som har gjennomgått transplantasjon spesielle legemidler - immunsuppressiva - midlertidig eller for livet. I hovedsak undertrykker de en persons eget immunsystem. Men til tross for mange anstrengelser, slår det transplanterte organet ofte ikke rot.

Etter prinsippet om "ikke skade", har forskere og leger lenge lett etter måter å gjenopprette vev og organer ved hjelp av pasientens egen kropp. For dette formålet har en hel del av rekonstruktiv kirurgi dukket opp, basert på mikrokirurgiske teknikker. Sy eller transplanter en finger i tilfelle skade, for eksempel fra en fot til en arm, gjenopprett brystkjertelen etter fjerning ondartet svulst og til og med returnere en betydelig del av pasientens ansikt - etter skade, kreft eller skade. Men mikrokirurgi er ikke allmektig. Slik begynte vevsteknikk å blomstre, som dukket opp lenge før mikrokirurgi.

Litt historie om problemet

Den amerikanske legen Leo Loeb tenkte først på dette på slutten av 1800-tallet. I 1897 utførte han et eksperiment: han observerte hvordan celler delte seg i levret blod og lymfe. Etter å ha publisert sine observasjoner, avslørte han imidlertid ikke de eksakte parametrene for eksperimentet, noe som gjorde dette arbeidet enda mer spennende. Følger ham til dette emnet med forskjellige sider Mange forskere prøvde å nærme seg, men bare ti år senere klarte hans kollega og landsmann - vitenskapsmannen Ross Harrison - å vokse og opprettholde levende nervefibre og celler tatt fra vevet til et froskeembryo. Og allerede i 1912 var den franske kirurgen Alexis Carrel og hans kolleger i stand til å støtte livet til en liten del av hjertet til et kyllingembryo. Dette biomaterialet forble levedyktig og vokste til og med i 24 år!

Metoder for vevsdyrking

Siden den gang har vevsteknikk kommet langt. I dag brukes forskjellige metoder for å dyrke vev, men en av de viktigste - stillas - stillasteknologi. Eksperimentører fra forskjellige land har praktisert det siden 90-tallet. Ved hjelp av denne teknologien blir celler fra en levende organisme tatt som en prøve: et stykke vev eller et separat organ. Det brytes deretter ned til individuelle celler ved hjelp av enzymer og dyrkes i fire til seks uker.

Neste nivå - transplantasjon av multipliserte celler på et stillas, spesiell midlertidig matrise. Eksternt kan stillaset forveksles med bomullsstoff, ganske egnet for en bluse eller skjorte, men faktisk er det et komplekst kunstig materiale. På et slikt stillas dyrkes det biomateriale beregnet for transplantasjon til mennesker. Strukturen implanteres der det ikke er vev, for eksempel på urinrøret eller nyrene. Stillaset fungerer som en slags bud for nye celler. Når det skadede vevet er reparert, løses leveringsmidlet opp og forsvinner sporløst.

Et slående eksempel på slikt arbeid er rekonstruksjonen av blæren av den amerikanske kirurgen Anthony Atala for Luke Massella, en ti år gammel gutt med en medfødt ryggmargsmisdannelse - ganespalte. Sykdommen lammet barnets blære, og da foreldrene henvendte seg til legen for å få hjelp, sviktet nyrene allerede. «For vekst» tok de blærevev på størrelse med et halvt frimerke. Celledyrking under laboratorieforhold tok fire uker. Atalas team laget deretter et stillas i form av en blære, som dekket det indre skallet med celler som fletter det "originale" organet, og det ytre skallet med muskelceller. Modellen ble plassert i en bioreaktor (en medisinsk analog av en ovn) for modning. Etter seks til åtte uker ble det fullformede organet transplantert. På samme intrikate måte klarte Atala å vokse en hjerteklaff og til og med et øre. Forresten, vi måtte tukle med det: pasientens brusk ble sådd inn i formen, som etter å ha oppholdt seg i bioreaktoren i flere uker, ble til et uavhengig stillasøre. For mer komplekse organer, som hjertet, har Atalas kollega, den kinesiske forskeren Tao Zhu, utviklet en teknikk som bruker 3D-printere. I stedet for blekk helles menneskelige celler i patronene, hvorfra et hjerte bokstavelig talt skrives ut innen en time, og etter 46 timer er det klart til bruk.

Donororganer brukes også som rammeverk. La oss ta leveren: ved hjelp av spesielle midler fjernes alle donorcellene fra den, deretter introduseres pasientens celler i det ødelagte "skjelettet" - fra innsiden og fra utsiden. Pasientens celler er en garanti for at det ikke blir noen avvisning fra kroppen. Vevsteknikk er fortsatt en eksperimentell vitenskap, men eksisterende eksperimenter viser at alt kan lages ved hjelp av denne teknikken - hjerteklaffer, blodårer, lever, muskler, ører og menneskelige fingre. Forskere håper at den nye teknikken også vil bidra til å takle et annet akutt problem med transplantologi - mangelen på donororganer.

Autotransplantasjon i estetisk medisin

I dag er konvensjonell autotransplantasjon mye brukt for brannskader, bruskskader, sener og til og med bein. For øyeblikket kan ikke vevsteknikk på nivå med skjønnhetsmedisin tilby noen enestående ting, men det er noen ting. I estetisk medisin er autotransplantasjon av brusk og fettvev mye brukt. Ditt eget bruskvev overlever mye bedre under neseplastikk og lar deg fleksibelt modellere formen på nesen din. Med genioplastikk kan du enkelt endre hakevinkelen ved hjelp av ditt eget vev. Installasjon av bruskimplantater brukes også ved malarplastikk for å øke volumet av det zygomatiske området.

Regenerativ medisin i Russland

I Russland er situasjonen med vevsteknikk ikke så rosenrød, ingen vokser organer ennå, det er regenerative teknikker innen kardiologi, og ekstrakorporeal hematokorreksjon brukes. Det utføres eksperimenter med 3D-utskrift, men for øyeblikket, selv fra et juridisk synspunkt, er det umulig å utføre slike operasjoner.

Regenerativ medisin, spesielt dyrking av stamceller utenfor Menneskekroppen, en av de viktigste og viktige hendelsene i verdenspraksis. Nylig, i 2014, klarte forskere fra Institute of Physical and Chemical Research of Japan å gjenopprette synet til en 70 år gammel kvinne, og i år klarte japanerne å dyrke hud, hårsekker og en minilever. Det er allerede mulig for medisin å dyrke brusk, vev og noen hele organer. Ikke langt unna - hjertet, bukspyttkjertelen og nervevev, hjerne. Så langt er ikke statistikken oppmuntrende: To mennesker dør hvert minutt i verden som kan reddes ved å transplantere sitt eget vev. Autotransplantasjon er fremtiden, ved hjelp av denne kan millioner av liv reddes.

) — opprettelse av nye vev og organer for terapeutisk rekonstruksjon av et skadet organ ved å levere støttestrukturer, molekylære og mekaniske signaler for regenerering til ønsket område.

Beskrivelse

Konvensjonelle implantater laget av inerte materialer kan bare korrigere de fysiske og mekaniske mangler ved skadet vev. Målet med vevsteknikk er å gjenopprette biologiske (metabolske) funksjoner, dvs. vevsregenerering, og ikke bare erstatte det med syntetisk materiale.

Opprettelsen av et vevskonstruert implantat (graft) inkluderer flere stadier:

1. seleksjon og dyrking av eget eller donorcellemateriale;
2. utvikling av en spesiell bærer for celler (matrise) basert på biokompatible materialer;
3. påføring av en cellekultur på matrisen og celleproliferasjon i en bioreaktor med spesielle dyrkingsbetingelser;
4. direkte innføring av transplantatet i området til det berørte organet eller foreløpig plassering i et område godt forsynt med blod for modning og dannelse av mikrosirkulasjon inne i transplantatet (prefabrikasjon).

Cellematerialet kan representeres av celler fra det regenererte vevet eller stamceller. For å lage podematriser brukes biologisk inerte syntetiske materialer, materialer basert på naturlige polymerer (kitosan, alginat, kollagen), samt biokomposittmaterialer. For eksempel oppnås benvevsekvivalenter ved rettet differensiering av stamceller fra benmarg, navlestrengsblod eller fettvev. Deretter påføres de resulterende osteoblastene (unge benceller som er ansvarlige for veksten) på forskjellige materialer som støtter deres deling - donorbein, kollagenmatriser, porøs hydroksyapatitt osv. Levende hudekvivalenter som inneholder donor- eller egne hudceller er for tiden mye brukt i USA , Russland, Italia. Disse designene kan forbedre helbredelsen av omfattende brannskader. Utviklingen av grafts utføres også i kardiologi (kunstige hjerteklaffer, rekonstruksjon av store kar og kapillærnettverk); for å gjenopprette luftveiene (strupehode, luftrør og bronkier), tynntarmen, lever, urinveisorganer, kjertler indre sekresjon og nevroner. metaller i vevsteknikk brukes til å kontrollere cellevekst gjennom eksponering for magnetiske felt i forskjellige retninger. For eksempel var det på denne måten mulig å lage ikke bare analoger av leverstrukturer, men også slike komplekse strukturer som elementer i netthinnen. Materialer laget ved hjelp av metoden (elektronstrålelitografi, EBL) gir også matriseoverflater i nanostørrelse for effektiv dannelse av beinimplantater. Opprettelsen av kunstig vev og organer vil eliminere behovet for transplantasjon av de fleste donororganer og vil forbedre livskvaliteten og overlevelsen til pasientene.

Forfattere

• Naroditsky Boris Savelievich
• Nesterenko Lyudmila Nikolaevna

Kilder

1. Nanoteknologier i vevsteknikk // Nanometer. -www.nanometer.ru/2007/10/16/tkanevaa_inzheneria_4860.html
2. Stamcelle // Wikipedia, the free encyclopedia.www.ru.wikipedia.org/wiki/Stem_cells (tilgangsdato: 10/12/2009).

Tissue engineering (TI), som en disiplin, begynte sin historie i første halvdel av det 20. århundre. Grunnlaget for grunnlaget var teoretiske og praktiske utviklinger i opprettelsen av "kunstige" organer og vev og arbeid med celletransplantasjon og biologiske aktive ingredienser på bærere for å gjenopprette skade i ulike vev i kroppen (Langer R., Vacanti J.P., 1993).

Foreløpig er vevsteknikk en av de yngste grenene innen medisin, basert på prinsippene for molekylærbiologi og genteknologi. Den tverrfaglige tilnærmingen som brukes i den, er først og fremst rettet mot å skape nye biokomposittmaterialer for å gjenopprette de tapte funksjonene til individuelle vev eller organer som helhet (Spector M., 1999). De grunnleggende prinsippene for denne tilnærmingen er utvikling og anvendelse av bærere laget av biologisk nedbrytbare materialer, som brukes i kombinasjon med enten donorceller og/eller bioaktive stoffer, når de implanteres i et skadet organ eller vev. For eksempel ved behandling sårprosess- dette kan være kollagenbelegg med allofibroblaster, og i karkirurgi- kunstige kar med antikoagulantia (Vacanti S.A. et.al., 1993). I tillegg er et av de alvorlige kravene til denne typen bærematerialer at de må gi pålitelig støtte, det vil si støtte og/eller strukturdannende funksjon i det skadede området av vevet eller organet.

Følgelig er en av hovedoppgavene til vevsteknikk ved behandling av beinpatologier å lage kunstige biokompositter som består av allo- og/eller xenomaterialer i kombinasjon med bioaktive molekyler (benmorfogenetiske proteiner, vekstfaktorer, etc.) og som er i stand til å indusere osteogenese. Dessuten må slike biomaterialer ha en rekke nødvendige beinegenskaper (Yannas I.V. et.al., 1984; Reddi A.H.et.al., 1987; Reddi A.H., 1998).

Først må de stillasere omfanget av defekten.

For det andre må det være osteoidduktivt, det vil si aktivt indusere osteoblaster og muligens andre mesenkymale celler til å danne bein.

Og for det tredje å ha gode indikatorer på biointegrasjon og biokompatibilitet, det vil si å være nedbrytbar og ikke forårsake betennelses- og immunreaksjoner hos mottakeren. Siste kvalitet vanligvis oppnås i et biomateriale bare ved å redusere dets antigene egenskaper.

Kombinasjonen av alle disse egenskapene gjør at slike biomaterialer, parallelt med den støttende, mekaniske funksjonen, kan gi biointegrasjon - innvekst av celler og blodårer i implantatstrukturen med påfølgende dannelse av beinvev.

Det er kjent at støtteeffekten til ethvert biomateriale som regel sikres av dets strukturelle egenskaper. For biomaterialer er denne indikatoren vanligvis relatert til arkitekturen til det opprinnelige vevet den er hentet fra. For bein er hovedparametrene for dens strukturelle styrke de hard-elastiske egenskapene til beinmatrisen og størrelsen på porene i den (Marra P. G. 1998; Thomson R. C. et.al., 1998).

De vanligste biomaterialene med en klart definert støttefunksjon inkluderer kunstig og naturlig hydroksyapatitt (HA), biokeramikk, polyglykolsyre og kollagenproteiner (Friess W., 1998).

For tiden brukes mange forskjellige former for hydroksyapatitt, med forskjellig form og partikkelstørrelse, for å erstatte beindefekter innen tannkirurgi, ortopedi og traumatologi. Det antas at kunstig oppnådd hydroksyapatitt er nesten identisk i kjemisk sammensetning og krystallografiske egenskaper med naturlig benhydroksyapatitt (Parsons J., 1988). Mange forfattere har vist både eksperimentelt og klinisk at bruken av hydroksyapatitt har betydelige fordeler før andre implantasjonsmaterialer. Ja, til ham positive egenskaper inkluderer slike indikatorer som enkel sterilisering, lang holdbarhet, høy grad av biokompatibilitet og ekstremt langsom resorpsjon i kroppen (Volozhin A.I. et al., 1993). Hydroxyapatite er et bioinert og svært kompatibelt materiale med bein (Jarcho M. et.al., 1977), som vist gjennom eksperimentelle studier. I prosessen med å erstatte en beindefekt i nærvær av HA, under påvirkning av biologiske væsker og vevsenzymer, kan hydroksyapatitt resorberes delvis eller fullstendig (Klein A.A., 1983). Den positive effekten av hydroksyapatitt etter implantasjon i beinhulen forklares tilsynelatende ikke bare av materialets osteoledende egenskaper, men også av dets evne til å sorbere proteiner på overflaten som induserer osteogenese (Ripamonti U., Reddi A.H., 1992).

For tiden er hoveddelen av biomaterialer for restaurering av beindefekter hentet fra brusk og/eller beinvev fra mennesker eller forskjellige dyr. Komponenter av andre typer brukes ofte til fremstilling av komposittmaterialer. bindevev- hud, sener, hjernehinner, etc. (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).

Det mest kjente av moderne biomaterialer er kollagen. Dens utbredte bruk i praktisk medisin er assosiert med utviklingen av rekonstruktiv kirurgi og søket etter nye materialer som utfører ramme- og plastfunksjoner i vevsregenerering. De viktigste fordelene med kollagen som plastbiomateriale inkluderer dets lave toksisitet og antigenisitet, høye mekaniske styrke og motstand mot vevsproteser (Istranov L.P., 1976). Kildene til kollagen i produksjonen av produkter for plastisk kirurgi er vev som er rike på dette proteinet - hud, sener, perikardium og bein. Utbredt i medisinsk praksis mottok en løsning av dermal kollagen produsert av Collagen Corp. (Palo-Alto USA), under navnene "Zyderm" og "Zyplast". Ulike produkter er utviklet basert på dette kollagenet. medisinske formål som implantater, sårbelegg, kirurgiske tråder for suturering av sårflater, etc.

På 70-tallet av forrige århundre ble det først innhentet data om effekten av kollagentransplantasjoner på beinvevsreparasjon. Det ble funnet at kollagenimplantater fremmer spredning av fibroblaster, vaskularisering av nærliggende vev og, tilsynelatende, induserer dannelsen av nytt beinvev med dets påfølgende restrukturering (Reddi A.H., 1985). Som et raskt biologisk nedbrytbart materiale ble kollagen også brukt i form av en gel for restaurering av beindefekter (De Balso A.M., 1976). Resultatene oppnådd av denne forfatteren antydet også at kollagenbaserte preparater er i stand til å stimulere benvevsregenerering.

Samtidig, for å erstatte benvevsdefekter, startet forskning på bruk av biokomposittmaterialer som inneholder både kollagen og hydroksyapatitt. Ja, for kjevekirurgi og kirurgisk tannbehandling ble sammensetningene "Alveloform" og "Bigraft" utviklet, som inneholder renset fibrillært dermalt kollagen og HA-partikler (Collagen Corp., Palo Alto, USA). Disse biomaterialene ble brukt til å gjenopprette den alveolære ryggen under kirurgisk behandling av pasienter med periodontitt (Krekel G. 1981, Lemons M.M. 1984, Miller E. 1992). Histologiske og ultrastrukturelle studier har vist at sammensetningen - kollagen og HA har en positiv effekt på regenereringen av toppbenet, men samtidig utfører denne typen biomaterialer hovedsakelig ramme- og lederfunksjoner, det vil si at de viser sine osteoledende egenskaper. (Mehlisch D.R., 1989). Senere kom mange andre forskere til lignende konklusjoner, og for tiden deles dette synspunktet av de fleste forskere (Glimcher M.J., 1987; Friess W., 1992; VaccantiC.A. et.al., 1993).

Imidlertid, ifølge en annen gruppe forskere, har biokomposittmaterialer som inneholder dermalt kollagen "Ziderm" og syntetisk hydroksyapatitt visse ostegeniske styrker. Således har Katthagen et al. (1984), som studerte effekten av Kollapat-materialet som inneholder dermalt kollagen type 1 og høyt dispergerte hydroksyapatittpartikler på gjenoppretting av beindefekter i lårbenet hos kaniner, fant at benvevsregenerering hos forsøksdyr var 5 ganger raskere enn i kontrollen. Disse eksperimentelle resultatene dannet grunnlaget for videre bruk av Kollapat-materialet i klinisk praksis.

Det er velkjent at de mest egnede for transplantasjon og påfølgende biointegrasjon utvilsomt er autografter, som er fremstilt fra pasientens eget vev, og dette eliminerer fullstendig de viktigste immunologiske og mest smittsomme komplikasjonene under påfølgende transplantasjon (Enneking W.F. et.al., 1980; Summers B.N., Eisenstein S.M., 1989; Reddi A.H., 1985; Goldberg V.M. et al., 1991). Slike materialer må imidlertid tilberedes umiddelbart før transplantasjon, ellers må klinikken ha en beinbank for å lagre slikt biomateriale, som i realiteten kun er tilgjengelig for svært store pasienter. medisinske institusjoner på grunn av de høye kostnadene ved å forberede og lagre disse materialene. I tillegg er mulighetene for å skaffe betydelige mengder autologt materiale svært begrensede og når det samles inn, gjennomgår donoren som regel alvorlige kirurgiske inngrep. Alt dette begrenser den utbredte bruken av autografter betydelig (Bos G.D. et al., 1983; Horowitz M.C. 1991). Følgelig, innen behandling av beinpatologier, står vevsteknikk overfor en reell utfordring med å lage biokomposittmaterialer, hvis bruk vil gi en løsning på mange problemer både ved celletransplantasjon og stimulering av beindannelse på skadesteder, og i å redusere arbeidskraft og økonomiske kostnader ved eliminering av beinskader hos pasienter med ulike profiler.

For tiden, gjennom innsatsen til en rekke forskere som arbeider innen vevsteknikk, har biokomposittmaterialer blitt utviklet og introdusert, som inkluderer både native benmargsceller og stromale osteogene forløperceller dyrket i monolags benmargskulturer (Gupta D., 1982) Bolder S., 1998). Disse forfatterne fant at for vellykket induksjon av osteogenese på transplantasjonsstedet er det nødvendig å skape en høy initial tetthet av stromale forløpere - omtrent 108 celler. Samtidig ga enkel introduksjon av en suspensjon av slike celler ikke gode resultater. I denne forbindelse oppsto det et alvorlig problem med å finne bærere for celletransplantasjon inn i mottakerens kropp.

For første gang som en slik transportør har Gupta D. et. al. (1982) foreslo å bruke xenobone som tidligere var blitt avfettet og avkalket. Det ble videre funnet at, avhengig av graden av xenobon-rensing, øker prosentandelen av binding av cellulære elementer til bæreren, og cellene binder seg mye bedre til dens organiske del enn til naturlig benhydroksyapatitt (Hofman S., 1999).

Av de syntetiske materialene er keramikk i dag mye brukt som bærere for celletransplantasjon (Burder S. 1998), som er en kunstig hydroksyapatitt oppnådd ved å behandle tri-kalsiumfosfat ved høye temperaturer.

Tannkirurger i hjemmet brukte fast vev som en egnet bærer for transplantasjon av allogene fibroblaster. hjernehinner og bemerket at bruken av dette transplantatet med allofibroblaster i behandlingen av moderat og alvorlig kronisk generalisert periodontitt har en rekke fordeler fremfor andre behandlingsmetoder (Dmitrieva L.A., 2001).

Tidligere, i en serie arbeider om konstruksjon av "kunstig hud", ble det oppdaget at suksessen med å gjenopprette dette vevet etter skaden avhenger av tilstanden til det cellulære mikromiljøet i det skadede området. På den annen side skapes selve mikromiljøet av en optimal kombinasjon av hovedkomponentene i den intercellulære matrisen, slik som kollagener, glykoproteiner og proteoglykaner (Yannas I. et.al., 1980, 1984; Pruitt B., Levine N. , 1984; Madden M. et al., 1994).

Kollagen er et typisk fibrillært protein. Dets individuelle molekyl, tropokollagen, består av tre spiralformede polypeptidkjeder, kalt a-kjeder, som er vridd sammen til en felles helix og stabilisert av hydrogenbindinger. Hver a-kjede inneholder i gjennomsnitt ca. 1000 aminosyrerester. Det er to hovedkombinasjoner av kjeder i beinvev - to λ1 og en λ2 eller type 1 kollagen og tre λ-1 eller type III kollagen. I tillegg til de navngitte typene ble andre kollagenisoformer funnet i beinet i mindre mengder (Serov V.P., Shekhter A.B., 1981).

Proteoglykaner er komplekse forbindelser av polysakkarider og proteiner. Polysakkaridene som utgjør proteoglykaner er lineære polymerer bygget av forskjellige disakkaridunderenheter dannet av uronsyrer (glukuronsyre, galakturonsyre og iduronisk), N-acetylheksosaminer (IM-acetylglukosamin, N-acetyl-galaktosamin) og nøytrale sakkarider (galaktose, mannose og mannose) . Disse polysakkaridkjedene kalles glykosaminoglykaner. Minst ett av sukkerene i disakkaridet har en negativt ladet karboksyl- eller sulfatgruppe (Stacy M, Barker S, 1965). Modent beinvev inneholder hovedsakelig sulfaterte glykosaminoglykaner (sGAGs), som kondroitin-4- og kondroitin-6-sulfater, dermatansulfat og keratansulfat. Biosyntesen av proteoglykaner i beinvev utføres hovedsakelig av aktiverte osteoblaster og i liten grad av modne osteocytter (Juliano R., Haskell S., 1993; Wendel M., Sommarin Y., 1998).

Den funksjonelle betydningen av sulfaterte glykosaminoglykaner i bindevev (CT) er stor og er først og fremst assosiert med dannelsen av kollagen- og elastinfibre. Sulfaterte glykosaminoglykaner er involvert i nesten alle metabolske prosesser i bindevev og kan ha en modulerende effekt på differensieringen av dets cellulære elementer (Panasyuk A.F. et al., 2000). Mange indikatorer for CT-regenerering avhenger av deres kvalitative og kvantitative egenskaper i vev, så vel som spesifikasjonene for interaksjon med andre komponenter i den intercellulære matrisen.

Regenerering og restaurering av beinvev er et kompleks av sekvensielle prosesser, inkludert både aktivering av osteogene celler (rekruttering, spredning og differensiering) og direkte dannelse av en spesialisert matrise - dens mineralisering og påfølgende remodellering av beinvev. Dessuten er disse cellene alltid under kontroll og påvirkning av en rekke biologiske og mekaniske faktorer.

I følge moderne konsepter er vevsteknikk (TI) av beinvev basert på tre grunnleggende prinsipper som sikrer vellykket erstatning av dette vevet.

For det første er det viktigste prinsippet når man lager biomaterialer og strukturer for implantasjon å reprodusere de grunnleggende egenskapene til den naturlige benmatrisen, fordi det er den unike strukturen til beinvev som har den mest uttalte effekten på regenereringsprosesser. Det er kjent at disse egenskapene til matrisen avhenger av dens tredimensjonale struktur og kjemisk oppbygning, samt på dets mekaniske egenskaper og evne til å påvirke de cellulære formene av bindevev (CT).

Arkitekturen til matrisen inkluderer slike parametere som overflate-til-volum-forholdet, tilstedeværelsen av et poresystem, og viktigst av alt, dets funksjonelle og mekaniske egenskaper. Gjennom disse egenskapene ser matrisen ut til å være i stand til å regulere vaskulær innvekst, gi kjemotaktiske stimuli til endogene celler, modulere celletilknytning og stimulere deling, differensiering og påfølgende mineralisering. Det antas at den tredimensjonale strukturen til matrisen kan påvirke ikke bare induksjonsprosessene, men også selve regenereringshastigheten.

Derfor må et biomateriale eller struktur konstruert ved bruk av vevsteknikk ha egenskaper som under in vivo-forhold kan gi både ledende og induktive egenskaper til den naturlige matrisen. De første inkluderer slike indikatorer som evnen til å fylle og opprettholde volum, mekanisk integrasjon og sikring av permeabilitet for celler og blodkar. Den andre - gir en direkte eller indirekte effekt på cellulære former, stimulerer dem til å danne brusk og/eller beinvev.

Det neste viktige prinsippet for suksess med målrettet benvevsteknikk er bruken av eksogene og/eller aktivering av endogene celler som er direkte involvert i prosessene for å skape dette vevet. I dette tilfellet kan kilden til slike celler enten være ens egen eller en donors kropp. For eksempel har bruken av spesifikke celletyper, fra pluripotente benmargsstromaceller til engasjerte osteoblastlignende celler, vært vellykket brukt både i dyreforsøk og i klinikken.

Som regel, ved retransplantasjon i kroppen, er stromale stamceller i stand til å differensiere til modne former, syntetisere en matrise og utløse en kaskade av endogene beinvevsreparasjonsreaksjoner. Samtidig innebærer et alternativt syn på bruken av komposittbiomaterialer deres direkte innvirkning på endogene bein- og andre bindevevsceller, deres rekruttering (tiltrekning) til implantasjonssonen, stimulering av deres spredning og økning i deres biosyntetiske aktivitet, noe som tvinger disse celler for aktivt å danne beinvev. I tillegg kan slike materialer være gode cellebærere som det er mulig å dyrke stamceller på før transplantasjon. Den siste nøkkelen til suksess med benvevsteknikk er bruken av bioaktive molekyler, inkludert vekstfaktorer, cytokiner, hormoner og andre bioaktive stoffer.

For å indusere beindannelse, mest kjente faktorer er benmorfogenetiske proteiner, transformerende vekstfaktor - TGF-β, insulinlignende vekstfaktor IGF og vaskulær endotelial vekstfaktor VEGF. Derfor kan biokomposittmaterialet være mettet og/eller inneholde disse bioaktive molekylene i sin struktur, noe som gjør det mulig å bruke for implantasjon i som et depot for slike stoffer. Den gradvise frigjøringen av disse faktorene kan aktivt påvirke prosessene bein restaurering. I tillegg til disse stoffene kan komposittmaterialer inkludere mikro- og makroelementer, så vel som andre molekyler (sukker, peptider, lipider, etc.) som kan stimulere og opprettholde økt fysiologisk aktivitet av celler i å gjenopprette benvev.

For tiden finnes det et stort antall forskjellige bioplastmaterialer som har osteoledende og/eller osteoinduktive egenskaper. Materialer som inneholder nesten ren hydroksyapatitt (HA), slik som Osteogaf, Bio-Oss, Osteomin, Ostim, viser hovedsakelig ledende egenskaper, selv om de er i stand til å utøve en svak osteoinduktiv effekt. En annen gruppe materialer består av helt eller delvis demineralisert benvev, samt kombinasjoner av disse materialene med biologisk aktive stoffer, slik som benmorfogenetiske proteiner og/eller vekstfaktorer [Panasyuk A.F. et al., 2004].

De viktigste kravene til bioplastmaterialer forblir slike parametere som deres antigene og induktive egenskaper. I tillegg for forskjellige typer operasjoner krever ofte materialer som sammen med de ovennevnte indikatorene har gode plast- eller styrkeegenskaper for å skape og opprettholde nødvendige former og konfigurasjoner ved fylling av hulrom og vevsdefekter.

Med hensyn til alt det ovennevnte har selskapet "Conectbiopharm" LLC utviklet en teknologi for produksjon av beinkollagen og bensulfaterte glykosaminoglykaner (sGAG), og basert på dem er det produsert biokompositt-osteoplastiske materialer fra "Biomatrix" og "Osteomatrix"-seriene. . Hovedforskjellen mellom disse gruppene av biomaterialer er at "Biomatrise" inneholder benkollagen og bensulfaterte glykosaminoglykaner, og "Osteomatrix", som har de samme to hovedkomponentene i beinvev, inneholder også hydroksyapatitt i sin naturlige form [Panasyuk A. F. et al., 2004]. Kilden til disse biomaterialene er svampete og kortikale bein fra forskjellige dyr, så vel som mennesker. Benkollagenet oppnådd ved bruk av denne teknologien inneholder ikke andre proteiner og er under in vitro-betingelser praktisk talt uløselig i tilstrekkelig konsentrerte løsninger av alkalier og organiske syrer.

Denne egenskapen gjør at biomaterialer ikke bare er inerte i forhold til immunforsvar kroppen, men også være motstandsdyktig mot biologisk nedbrytning i lang tid etter implantasjonen. For tiden brukes metoden for å stimulere celler med blodplaterikt plasma (PRP) aktivt for å akselerere veksten av bein og bløtvev. Denne nye bioteknologien for målrettet vevsteknikk og celleterapi er, ifølge noen forfattere, et virkelig gjennombrudd i kirurgisk praksis. Men for å få slik plasma kreves det visst teknisk utstyr, og i noen tilfeller spesialtrente ansatte. Bruken av Biomatrix-materialet til disse formålene løser fullstendig det virkelige problemet til minimale kostnader fordi det ikke er behov for å isolere blodplater fra pasientens blod. I en serie eksperimenter har vi fastslått at Biomatrix-materialet er spesifikt i stand til store mengder binder perifere blodplater (tabell 1).

Tabell 1. Binding av blodplater ved beinkollagen.

* - 6 ml blod ble inkubert med 1 gram benkollagen (1 gram tørt beinkollagen opptar et volum på 2 til 7 cm³ avhengig av porøsiteten). Dataene i tabellen er presentert som innholdet av blodplater i 1 ml blod etter å ha passert det gjennom 1 cm³ beinkollagen.

Dermed er 1 cm³ Biomatrix biomateriale i stand til å binde nesten alle blodplater (mer enn 90%) fra 1 ml blod, det vil si fra 226 til 304 millioner blodplater. I dette tilfellet skjer bindingen av blodplater av beinkollagen raskt og fullføres i løpet av få minutter (graf 1).

Graf 1. Hastighet for binding av blodplater til beinkollagen.

Det ble også funnet at hvis Biomatrix-biomaterialet ble brukt uten å dekke med antikoagulanter, så skjedde dannelsen av en blodpropp nesten umiddelbart. Det er nå bevist at arbeidskonsentrasjonen for blodplaterikt plasma begynner med 1 million blodplater per μl. For å få blodplaterikt plasma må derfor blodplater konsentreres i gjennomsnitt 5 ganger, men slik isolering krever både betydelige økonomiske kostnader og sikker profesjonell erfaring. I tillegg, for å aktivere blodplater og frigjøre 7 vekstfaktorer: 3 typer PDGF-aa, -bb, -ab, to transformerende vekstfaktorer - TGF-β1 og β2, vaskulær endotelial vekstfaktor VEGF og epitelial vekstfaktor EGF - rik plasma må være koagulert med blodplater før bruk. Sammenlignet med kjente metoder kan biomaterialet "Biomatrise" øke konsentrasjonen av blodplater betydelig. Samtidig er kollagen nettopp det proteinet som kan aktivere Hagemanfaktoren (XII blodkoagulasjonsfaktor) og komplementsystemet.

Det er kjent at aktivert Hageman-faktor utløser en kaskade av reaksjoner i blodkoagulasjonssystemet og fører til dannelse av en fibrinpropp. Denne faktoren eller dens fragmenter kan også sette i gang kallikrein-kinin-systemet i blodet. Således er beinkollagen i sammensetningen av Biomatrix- og Osteomatrix-materialene i stand til å aktivere de viktigste blodplasmaproteolysesystemene, som er ansvarlige for å opprettholde hemodynamisk balanse og sikre de regenerative reaksjonene i kroppen. I motsetning til blodplaterikt plasma, som i seg selv ikke har en osteoinduktiv effekt, det vil si ikke kan sette i gang bendannelse uten tilstedeværelse av benceller, har Biomatrix- og Osteomatrix-materialene et slikt potensial.

Således, med intramuskulær implantasjon av biomaterialer "Biomatrix" og spesielt "Osteomatrix", dannes ektopisk beinvev, som direkte beviser den osteoinduktive aktiviteten til disse materialene [Ivanov S.Yu. et al., 2000]. Den kombinerte bruken av blodplaterikt plasma med rekombinant benmorfogenetisk protein, som kan stimulere bindevevsceller til å danne beinvev, løser problemet. dette problemet, men dette fører til en betydelig økning i kostnadene for teknikken. Det skal også bemerkes at materialene i "Osteomatrix"-serien inneholder naturlig benhydroksyapatitt, som er i stand til å samle på overflaten av benmorfogenetiske proteiner syntetisert av osteoblaster, og dermed i tillegg stimulere osteogenese ("indusert osteoinduksjon").

Samtidig fjernes helt innvendingen mot muligheten for tumorutvikling på grunn av bruk av rekombinante proteiner pga. lignende applikasjon materialer "Biomatrise" og "Osteomatrix" bare naturlige proteiner er tilstede i implantasjonssonen naturlig opprinnelse. Materialer i seriene "Biomatrix" og "Osteomatrix" har også en annen unik kvalitet - de er i stand til å binde sulfaterte glykosaminoglykaner med affinitet [Panasyuk A.F., Savashchuk D.A., 2007]. Denne bindingen, under forhold som ligner på blodplatebinding, skjer i løpet av kort tid og mengden av bundne sulfaterte glykosaminoglykaner overskrider betydelig fysiologiske parametere (tabell 2).

Tabell 2. Binding av sulfaterte glykosaminoglykaner med beinkollagen.

Det er nå velkjent at når de brukes separat, har både kollagen og hydroksyapatitt hovedsakelig osteoledende egenskaper, det vil si at de bare kan spille rollen som et "tilretteleggende" materiale for dannelsen av nytt bein. Imidlertid kan disse molekylene også ha en svak osteoinduktiv effekt på osteoblastiske celler på grunn av noen av deres biologiske egenskaper.

Denne osteoinduktive effekten forsterkes ved kombinert bruk av disse to typene molekyler. På den annen side, hvis sammen med kollagen og hydroksyapatitt også sulfaterte glykosaminoglykaner er tilstede i biomaterialer, vil et slikt kompleks i sin struktur være nærmere den naturlige benmatrisen og derfor ha sine funksjonelle egenskaper i større grad. i sin helhet. Dermed er det kjent at sulfaterte glykosaminoglykaner påvirker mange indikatorer på bindevevsmetabolisme.

De er i stand til å redusere aktiviteten til proteolytiske enzymer, undertrykke den synergistiske effekten av disse enzymene og oksygenradikalene på den intercellulære matrisen, blokkere syntesen av inflammatoriske mediatorer ved å maskere antigene determinanter og kansellere kjemotaksi, forhindre celleapoptose indusert av skadelige faktorer, også som reduserer lipidsyntese og forhindrer derved nedbrytningsprosesser. I tillegg er disse forbindelsene direkte involvert i konstruksjonen av selve kollagenfibrene og den intercellulære matrisen som helhet.

I de tidlige stadiene av bindevevsskade fungerer de som initiatorer for dannelsen av en midlertidig matrise og gjør det mulig å stoppe desintegreringen av bindevev og dannelsen av et grovt arr, og deretter sikre raskere erstatning med bindevev som er vanlig for et gitt orgel [Panasyuk A.F. et al., 2000]. Dessverre har ikke rollen til sulfaterte glykosaminoglykaner i reguleringen av osteogenese blitt tilstrekkelig studert, men det har blitt vist at hovedkandidaten for rollen som induser av ektopisk osteogenese i modellsystemet er proteoglykan utskilt av blæreepitelceller [Fridenshtein A .Ya., Lalykina K.S., 1972].

Andre forfattere deler en lignende oppfatning, og tror at proteoglykaner er en av faktorene i det stromale mikromiljøet som regulerer hematopoiesis og annen histogenese av mesenkymale derivater. I tillegg har det vist seg at under in vitro og in vivo forhold har kondroitinsulfater en uttalt effekt på benmineralisering.Dermed har vi funnet at når Osteomatrix-materialet eksponeres for en kultur av menneskelige kondrocytter, induseres deres kondrogene egenskaper. . Under påvirkning av materialet dannet menneskelige kondrocytter histotypiske strukturer i kulturen, der fosfatavsetning og mineralisering av beinmatrisen skjedde under forbening.

Videre ble det funnet at etter implantasjon av biomaterialene "Biomatrise", "Allomatrix-implantat" og "Osteomatrix" i kaniner, dannes ektopisk bein og deretter fylles med benmarg. I tillegg ble disse materialene med hell brukt som bærere for transplantasjon av stromale stamceller [Ivanov S.Yu. et al., 2000]. Til dags dato har disse materialene fått anerkjennelse i både tannlege og ortopedisk praksis [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]. De har blitt brukt med høy effektivitet i tilfeller av osteogenesis imperfecta, håndrestaurering, kirurgisk behandling av periodontale sykdommer og eliminering av kjevebeindefekter. Disse biomaterialene, takket være den utviklede teknologien for deres produksjon, er så langt de eneste materialene i verden som nesten fullstendig bevarer kollagen- og mineralstrukturen til naturlig ben, men samtidig er disse materialene fullstendig blottet for antigenisitet.

Den store fordelen med disse biomaterialene er at de inneholder bensulfaterte glykosaminoglykaner, affinitet bundet til kollagen og hydroksyapatitt, noe som skiller dem betydelig fra analoger tilgjengelig i verden og forbedrer deres osteogene styrke betydelig. Dermed beviser de presenterte eksperimentelle og kliniske dataene virkelig at basert på moderne prinsipper for vevsteknikk, har innenlandske biokomposittmaterialer basert på beinkollagen, sulfaterte glykosaminoglykaner og hydroksyapatitt blitt utviklet og introdusert i klinisk praksis. Disse moderne, effektive og sikre nye generasjons biomaterialene åpner for brede muligheter for å løse mange problemer med benvevsrestaurering i traumatologi og ortopedi, så vel som i mange andre områder av kirurgisk praksis.

Elektronogrammet (fig. 1) viser at benkollagenpreparater er et nettverk av ordnede bunter og fibre. Samtidig er selve fibrene tett pakket inn i andre-ordens bunter, uten brudd eller defekter. I utseende har materialet en klassisk porøs-cellulær struktur, som fullt ut tilsvarer innfødtes arkitektur. svampete bein og er fri for kar, proteiner, mekaniske og andre inneslutninger. Porestørrelsen varierer fra 220 til 700 mikron.

Vi vurderte biokompatibiliteten til beinkollagen ved å bruke standardtester når de ble implantert under huden på Wistar-rotter. Ved å bruke histomorfologisk analyse og skanningelektronmikroskopi, ble det funnet at beinkollagen, etter halvannen måneds opphold i mottakerens kropp, praktisk talt ikke blir ødelagt og beholder sin struktur.

Fig 1. Fig 2.

Som det kan sees i fig. 2, er porene, trabeculae og cellene i det implanterte beinkollagenet delvis fylt med løs fibrøs CT, hvis fibre er svakt smeltet sammen med implantatet. Det er tydelig synlig at det dannes et lite fibrøst lag rundt det, og i selve implantatet er tilstedeværelsen av et lite antall cellulære elementer notert, hvorav de viktigste er fibroblaster. Det er karakteristisk at implantatet ikke er smeltet sammen med det omkringliggende hudvevet gjennom nesten hele lengden. Disse resultatene indikerer tydelig den høye motstanden til dette materialet mot biologisk nedbrytning og den fullstendige bioinertheten til det omkringliggende bindevevet i forhold til det.

Vi utførte studier på effekten av biomaterialene "Biomatrise", "Allomatrix-implantat" og "Osteomatrix" på osteoreparation på en modell av segmentell osteotomi ved bruk av allment aksepterte metoder (Katthagen B.D., Mittelmeeir H., 1984; Schwarz N. et.al. , 1991). Forsøket brukte Chinchilla-kaniner som veide 1,5-2,0 kg, som gjennomgikk segmentell osteotomi av radius under intravenøs anestesi.

To måneder etter operasjonen ble det registrert dannelse av nytt beinvev i implantasjonsområdet. I fig. 3 er resultatet av en histomorfologisk studie av Allomatrix-implantatmaterialet etter 2 måneder. etter operasjonen. I den proksimale sonen av defekten er velutviklet ungt beinvev synlig. Osteoblaster er ved siden av beinbjelker i stort antall.

I det interstitielle stoffet finnes ostecytter i lakunaene.Tettpakkede kollagenfibre dannes i den nye beinsubstansen. Den interstitielle substansen med aktive celler er godt utviklet. Implantatområdet (øverst og venstre) gjenoppbygges aktivt.

Generelt er det akselerert modning av benvev rundt implantatområdet.

I tillegg viste det seg at den porøse cellulære strukturen til beinkollagen gir ikke bare vedlikehold av volum i defekten på grunn av dens elastiske egenskaper, men også den optimale muligheten for innvekst av bindevevsceller i den, utvikling av blod kar og bendannelse når denne defekten erstattes.

Send ditt gode arbeid i kunnskapsbasen er enkelt. Bruk skjemaet nedenfor

Studenter, hovedfagsstudenter, unge forskere som bruker kunnskapsbasen i studiene og arbeidet vil være deg veldig takknemlig.

postet på http://www.allbest.ru/

postet på http://www.allbest.ru/

Makeevskaya omfattende skole I - III trinn nr. 72

om temaet: Vevsteknikk i medisin

Fullført:

Shujaullah Kamil

Introduksjon

1.1 Primærceller

1.2 Stamceller

3.2 3D bioprinting

4. Vevsvekst

4.7 Benmarg

5. Organdyrking

5.1 Blære

5.2 Luftrør

5.4 Lever

5.5 Hjerte

5.6 Lungene

Konklusjon

applikasjon

Introduksjon

Et av områdene innen bioteknologi som omhandler opprettelsen av biologiske erstatninger for vev og organer er vevsteknikk (TI).

Vevsteknikk er etableringen av nye vev og organer for terapeutisk rekonstruksjon av et skadet organ ved å levere støttestrukturer, celler, molekylære og mekaniske signaler for regenerering til ønsket område.

For tiden begynner vevsteknikk å bli brukt i klinisk praksis for behandling av degenerative sykdommer og utviklingsdefekter; for brannskader og skader, for sen hydro- og ureterohydronefrose, samt for tann- og kosmetiske operasjoner.

Moderne utviklinger innen biomedisin, og spesielt vevsteknikk; kan brukes til å forbedre effektiviteten av behandlingen ved gjenoppretting av tapt funksjonelt signifikant vev.

1. Celler for vevsteknikk

Mest viktig element suksess er tilstedeværelsen av det nødvendige antallet funksjonelt aktive celler som er i stand til å differensiere, opprettholde riktig fenotype og utføre spesifikke biologiske funksjoner. Kilden til celler kan være kroppsvev og Indre organer. Det er mulig å bruke passende celler fra en pasient med behov for rekonstruktiv terapi eller fra en nær slektning (autogene celler). Celler av forskjellig opprinnelse kan brukes, inkludert primær- og stamceller.

1.1 Primærceller

Primærceller er modne celler av et spesifikt vev som kan tas direkte fra en donororganisme (ex vivo) kirurgisk. Hvis primærceller tas fra en spesifikk donororganisme, og det deretter er nødvendig å implantere disse cellene i den som mottaker, elimineres sannsynligheten for avvisning av det implanterte vevet, siden den maksimale mulige immunologiske kompatibiliteten til primærcellene og mottaker er tilstede. Imidlertid er primærceller som regel ikke i stand til å dele seg - deres potensial for reproduksjon og vekst er lavt.

Ved dyrking av slike celler in vitro (gjennom vevsteknikk), er dedifferensiering, det vil si tap av spesifikke, individuelle egenskaper, mulig for noen typer celler. For eksempel produserer kondrocytter dyrket utenfor kroppen ofte fibrøs snarere enn gjennomsiktig brusk.

Siden primærceller ikke er i stand til å dele seg og kan miste sine spesifikke egenskaper, er det behov for alternative cellekilder for utvikling av celleteknologiske teknologier. Stamceller ble et slikt alternativ.

1.2 Stamceller

Stamceller er udifferensierte celler som har evnen til å dele seg, fornye seg selv og differensiere seg til ulike typer spesialiserte celler under påvirkning av spesifikke biologiske stimuli.

Stamceller er delt inn i "voksne" og "embryonale"

Kilden til "voksne" stamceller er navlestrengsblod samlet inn etter fødselen av barnet. Dette blodet er veldig rikt på stamceller. Ved å ta dette blodet fra barnets navlestreng og legge det i en kryobank (spesiell lagring), kan stamceller senere brukes til å gjenopprette nesten alle vev og organer hos denne personen. Det er også mulig å bruke disse stamcellene til å behandle andre pasienter, forutsatt at de er antigenkompatible. Amerikanske forskere skaffet stamceller fra den menneskelige morkaken (der er antallet 10 ganger større enn i navlestrengsblod), som er i stand til å omdannes til hud-, blod-, muskel- og nerveceller.

Kilden til en annen type stamceller - føtale (embryonale) stamceller, er abortmateriale fra 9-12 uker av svangerskapet. Denne kilden er den desidert mest brukte. Men bortsett fra etiske og juridiske spenninger, kan fosterceller noen ganger forårsake transplantasjonsavvisning. I tillegg risikerer bruk av uprøvd abortfremkallende materiale å infisere pasienten. viral hepatitt, AIDS, cytomegalovirus, etc.

For å lede organisasjonen, opprettholde veksten og differensieringen av celler under rekonstruksjonen av skadet vev, kreves en spesiell cellebærer - en matrise, som er et tredimensjonalt nettverk som ligner på en svamp eller pimpstein (tilleggsfigur 3). For å lage dem brukes biologisk inerte syntetiske materialer, materialer basert på naturlige polymerer (kitosan, alginat, kollagen) og biokompositter. For eksempel oppnås benvevsekvivalenter ved rettet differensiering av stamceller fra benmarg, navlestrengsblod eller fettvev til osteoblaster, som deretter påføres forskjellige materialer som støtter deres deling (for eksempel donorbein, kollagenmatriser, etc. ).

2. Stadier av å lage kunstige organer

I dag er en av vevsteknikkstrategiene som følger:

1. Seleksjon og dyrking av eget eller donorcellemateriale.

Cellematerialet kan representeres av celler fra det regenererte vevet eller stamceller.

I det første trinnet velges eget eller donorcellemateriale (biopsi), vevsspesifikke celler isoleres og dyrkes. Den vevskonstruerte strukturen, eller transplantatet, inkluderer, i tillegg til cellekulturen, en spesiell bærer (matrise)

2. Utvikling av en spesiell bærer for celler (matrise) basert på biokompatible materialer

Matriser kan være laget av forskjellige biokompatible materialer. For å lage podematriser brukes biologisk inerte syntetiske materialer, materialer basert på naturlige polymerer (kitosan, alginat, kollagen), samt biokomposittmaterialer. For eksempel oppnås benvevsekvivalenter ved rettet differensiering av stamceller fra benmarg, navlestrengsblod eller fettvev. Cellene i den resulterende kulturen påføres matrisen. konstruksjon av vevsorganvekst

3. Påføring av cellekultur på matrisen og celleproliferasjon i en bioreaktor med spesielle dyrkingsbetingelser

Hvor kulturen inkuberes i en viss tid. De første bioreaktorene ble laget for å produsere kunstig levervev.

4. Direkte innføring av transplantatet i området til det berørte organet eller foreløpig plassering i et område godt forsynt med blod for modning og dannelse av mikrosirkulasjon inne i transplantatet (prefabrikasjon)

Biomaterialer som brukes til å oppnå matriser må være biologisk inerte og, etter poding (overført til kroppen), sikre lokalisering av cellematerialet som påføres dem på et bestemt sted. De fleste vevstekniske biomaterialer blir lett ødelagt (resorberes) i kroppen og erstattet av dets eget vev. I dette tilfellet bør det ikke dannes mellomprodukter som er giftige, endrer pH i vevet eller svekker vekst og differensiering cellekultur. Ikke-resorberbare materialer brukes nesten aldri, fordi de begrenser regenerativ aktivitet, forårsaker overdreven dannelse av bindevev, provoserer en reaksjon på et fremmedlegeme (innkapsling)

Levende hudekvivalenter som inneholder donor- eller egne hudceller er for tiden mye brukt i USA, Russland og Italia. Disse designene kan forbedre helingen av omfattende brannsår. Utviklingen av grafts utføres også i kardiologi (kunstige hjerteklaffer, rekonstruksjon av store kar og kapillærnettverk); for å gjenopprette åndedrettsorganene (strupehodet, luftrøret og bronkiene), tynntarmen, leveren, urinsystemet, endokrine kjertler og nevroner. Metallnanopartikler i vevsteknikk brukes til å kontrollere cellevekst ved å utsette dem for magnetiske felt i forskjellige retninger. For eksempel var det på denne måten mulig å lage ikke bare analoger av leverstrukturer, men også slike komplekse strukturer som elementer i netthinnen. Dessuten gir nanokomposittmaterialer laget ved hjelp av elektronstrålelitografi (EBL)-metoden nanoskala overflateruhet av matrisene for effektiv dannelse av beinimplantater. Opprettelsen av kunstig vev og organer vil eliminere behovet for transplantasjon av de fleste donororganer og vil forbedre livskvaliteten og overlevelsen til pasientene.

3. Grunnleggende metoder for vevsteknikk

3.1 Etterligne naturlig organogenese

Organogenese er prosessen med organdannelse under embryonal utvikling

Organogenese er ledsaget av differensiering av celler, vev, selektiv og ujevn vekst av individuelle organer og deler av kroppen, fortsetter i larveperioden og slutter i ungdomsperioden

3.2 3D bioprinting

Lovende vevstekniske teknologier har åpnet muligheten for å lage levende vev og organer i laboratoriet, men vitenskapen er fortsatt maktesløs når det gjelder å lage komplekse organer. Men relativt nylig gjorde forskere ledet av Dr. Gunter Tovar fra Fraunhofer Society i Tyskland et stort gjennombrudd innen vevsteknikk - de utviklet en teknologi for å lage blodårer. Men det så ut til at det var umulig å lage kapillærstrukturer kunstig, siden de må være fleksible, elastiske, små i form og samtidig samhandle med naturlig vev. Merkelig nok kom de til unnsetning produksjonsteknologier-- Rask prototyping-metode (med andre ord, 3D-utskrift). Dette betyr at en kompleks 3D-modell (i vårt tilfelle en blodåre) skrives ut på en 3D-blekkskriver ved bruk av spesiell "blekk". Skriveren legger materialet i lag, og enkelte steder er lagene kjemisk bundet. Vi legger imidlertid merke til at for de minste kapillærene er 3D-skrivere ennå ikke nøyaktige nok. I denne forbindelse ble brukt i polymerindustrien brukt. De korte, intense laserpulsene som behandler materialet begeistrer molekylene så sterkt at de interagerer med hverandre, og knytter seg sammen i lange kjeder. På denne måten polymeriserer materialet og blir hardt, men elastisk, som naturmaterialer. Disse reaksjonene er så kontrollerbare at de kan brukes til å lage de minste strukturene i henhold til en tredimensjonal "blåkopi".

Og for at de opprettede blodårene skal koble til kroppens celler, blir modifiserte biologiske strukturer (for eksempel heparin) og "anker"-proteiner integrert i dem under produksjonen av karene. På neste trinn fikseres endotelceller (et enkeltlagslag av flate celler som fôrer den indre overflaten av blodårene) i systemet med opprettede "tubuli" - slik at blodkomponenter ikke fester seg til veggene vaskulært system, men ble fritt transportert langs den. Det vil imidlertid fortsatt ta litt tid før laboratoriedyrkede organer med egne blodårer faktisk kan implanteres.

Voksende organer på en donor eller xenologisk matrise, voksende organer på en kunstig matrise, se avsnitt 3

4. Vevsvekst

Å dyrke enkelt vev er en teknologi som allerede eksisterer og brukes i praksis.

Å gjenopprette skadede hudområder er allerede en del av klinisk praksis. I noen tilfeller brukes metoder for å regenerere huden til personen selv, for eksempel et brannskadeoffer, gjennom spesielle påvirkninger. Denne er for eksempel utviklet av R.R. Rakhmatullin bioplastmateriale hyamatrix, eller biocol, utviklet av et team ledet av B.K. Gavrilyuk. Spesielle hydrogeler brukes også til å vokse hud på brannstedet.

Det utvikles også metoder for å skrive ut fragmenter av hudvev ved hjelp av spesielle skrivere. Opprettelsen av slike teknologier utføres for eksempel av utviklere fra de amerikanske sentrene for regenerativ medisin AFIRM og WFIRM.

Dr. Jorg Gerlach og kolleger fra Institute for Regenerative Medicine ved University of Pittsburgh har oppfunnet en hudtransplantasjonsanordning som vil hjelpe folk å helbrede raskere fra brannskader varierende grader gravitasjon. Skin Gun sprayer en løsning som inneholder offerets egne stamceller på offerets skadede hud. For øyeblikket er den nye behandlingsmetoden på et eksperimentelt stadium, men resultatene er allerede imponerende: alvorlige brannskader leges på bare et par dager.

En gruppe ansatte ved Columbia University ledet av Gordana Vunjak-Novakovic oppnådde fra stamceller sådd på en ramme et beinfragment som ligner på en del av kjeveleddet. Forskere fra det israelske selskapet Bonus Biogroup (grunnlegger og administrerende direktør - Pai Meretzky, Shai Meretzki utvikler metoder for å dyrke menneskelig bein fra en pasients fettvev oppnådd gjennom fettsuging. Benet som er dyrket på denne måten er allerede vellykket transplantert inn i labben til en rotte.

Italienske forskere fra University of Udine var i stand til å vise at en populasjon av mesenkymale stamceller oppnådd in vitro fra en enkelt celle av fettvev, selv i fravær av en spesifikk strukturell matrise eller substrat, kan differensieres til en struktur som ligner en tann kim.

Ved University of Tokyo dyrket forskere fullverdige tenner med tannbein og bindefibre fra musestamceller, og vellykket transplantert dem inn i kjevene til dyr.

Spesialister fra Medisinsk senter Columbia University Medical Center, under ledelse av Jeremy Mao, klarte å gjenopprette leddbrusken til kaniner.

Først fjernet forskerne dyrene bruskvev skulderleddet, samt det underliggende lag av beinvev. Deretter plasserte han kollagenstillas i stedet for det fjernede vevet.

Hos de dyrene hvis stillaser inneholdt transformerende vekstfaktor, et protein som kontrollerer celledifferensiering og vekst, dannet bein- og bruskvev seg igjen på humerus, og bevegelser i leddet ble fullstendig gjenopprettet.

En gruppe amerikanske forskere fra Universitetet of Texasat Austin har gjort fremskritt i å lage bruskvev med varierende mekaniske egenskaper og ekstracellulær matrisesammensetning i forskjellige områder.

I 1997, kirurg Jay Vscanti fra Sykehus Massachusetts i Boston klarte å dyrke et menneskelig øre på baksiden av en mus ved hjelp av bruskceller.

Leger ved Johns Hopkins University fjernet et svulstpåvirket øre og en del av hodeskallen fra en 42 år gammel kvinne som led av kreft. Ved hjelp av bruskvev fra bryst, hud og blodårer fra andre deler av pasientens kropp, dyrket de et kunstig øre på armen hennes og deretter transplanterte det til rett sted.

Forskere ved Worcester Polytechnic Institute (USA) har med suksess reparert et stort muskelsår hos mus ved å dyrke og implantere mikrotråder laget av proteinet polymer fibrin, dekket med et lag av menneskelige muskelceller.

Israelske forskere fra Technion-Israel Institute of Technology studerer den nødvendige graden av vaskularisering og vevsorganisering in vitro, som gjør det mulig å forbedre overlevelsen og integreringen av et vevskonstruert vaskularisert muskelimplantat i mottakerens kropp.

Forskere fra Pierre og Marie Curie-universitetet i Paris, ledet av Luc Douay, har for første gang i verden testet kunstig blod dyrket fra stamceller på menneskelige frivillige.

Hver av eksperimentdeltakerne mottok 10 milliarder røde blodceller, noe som tilsvarer omtrent to milliliter blod. Overlevelsesnivåene til de resulterende cellene var sammenlignbare med de for konvensjonelle røde blodceller.

4.7 Benmarg

Kunstig benmarg, designet for å produsere blodceller in vitro, ble først vellykket skapt av forskere i det kjemiske ingeniørlaboratoriet ved University of Michigan ledet av Nicholas Kotov. Med dens hjelp er det allerede mulig å få hematopoietiske stamceller og B-lymfocytter - celler i immunsystemet som produserer antistoffer

5. Voksende komplekse organer

5.1 Blære

Dr. Anthony Atala og hans kolleger fra det amerikanske universitetet i Wake Forest (Wake Forest University) dyrker blærer fra pasientens egne celler og transplanterer dem inn i pasienter.

De valgte ut flere pasienter og tok blærebiopsier fra dem – prøver av muskelfibre og urotelceller. Disse cellene formerte seg i syv til åtte uker i petriskåler på en bobleformet base. Deretter ble organene som ble dyrket på denne måten sydd inn i kroppene til pasienter.

Observasjoner av pasienter over flere år viste at organene fungerte bra, uten de negative effektene som er karakteristiske for eldre behandlingsmetoder.

Faktisk er dette første gang et ganske komplekst organ, snarere enn enkelt vev som hud og bein, har blitt kunstig dyrket in vitro og transplantert inn i menneskekroppen. Dette teamet utvikler også metoder for å dyrke andre vev og organer.

5.2 Luftrør

Spanske kirurger utførte verdens første luftrørstransplantasjon, dyrket fra stamcellene til en pasient, 30 år gamle Claudia Castillo.

Organet ble dyrket ved University of Bristol ved å bruke et donorkollagenfiberstillas.

Operasjonen ble utført av professor Paolo Macchiarini fra sykehuset i Barcelona (Hospital Clínic de Barcelona).

Professor Macchiarini samarbeider aktivt med russiske forskere, noe som gjorde det mulig å utføre de første transplantasjonsoperasjonene av en vokst luftrør i Russland.

Advanced Cell Technology i 2002 rapporterte suksessen med å dyrke en komplett nyre fra en enkelt celle tatt fra en kus øre ved å bruke kloningsteknologi for å få stamceller.

Ved hjelp av et spesielt stoff ble stamcellene omgjort til nyreceller.

Vevet ble dyrket på et stillas laget av selvdestruktivt materiale laget ved Harvard Medical School og formet som en vanlig nyre. De resulterende nyrene, omtrent 5 cm lange, ble implantert i en ku nær hovedorganene.

Som et resultat begynte den kunstige nyren å produsere urin.

5.4 Lever

Amerikanske spesialister fra Massachusetts General Hospital, ledet av Korkut Uygun, transplanterte med suksess lever dyrket i laboratoriet fra deres egne celler til flere rotter.

Forskere fjernet leverene til fem laboratorierotter og renset dem for vertsceller, og skaffet dermed bindevevsstillas for organene.

Forskerne injiserte deretter omtrent 50 millioner leverceller tatt fra mottakerrotter i hvert av de fem resulterende stillasene. I løpet av to uker ble det dannet en fullt fungerende lever på hvert av de cellefylte stillasene.

De laboratoriedyrkede organene ble deretter vellykket transplantert til fem rotter.

5.5 Hjerte

Forskere fra British Haafield Hospital, ledet av Megdi Yacoub, har dyrket en del av hjertet for første gang i historien, ved å bruke stamceller som et "byggemateriale". Leger dyrket vev som fungerte akkurat som hjerteklaffene som er ansvarlige for blodstrømmen hos mennesker. Forskere fra University of Rostock (Tyskland) brukte laser-indusert-fremover-overføring (LIFT) celletrykkteknologi for å produsere en "lapp" beregnet på hjerteregenerering.

5.6 Lungene

Amerikanske forskere fra Yale University, ledet av Laura Niklason, dyrket lunger i laboratoriet (på en donor ekstracellulær matrise). Matrisen ble fylt med lungeepitelceller og den indre slimhinnen i blodårene tatt fra andre individer. Ved å bruke dyrking i en bioreaktor kunne forskerne dyrke nye lunger, som deretter ble transplantert til flere rotter. Organet fungerte normalt hos forskjellige individer fra 45 minutter til to timer etter transplantasjon. Men etter dette begynte det å danne seg blodpropp i lungenes kar. I tillegg registrerte forskerne en liten mengde blod som lekker inn i lumen av organet. Imidlertid har forskere for første gang vært i stand til å demonstrere potensialet til regenerativ medisin for lungetransplantasjon.

Konklusjon

Cellulær (vevs)teknikk er en gren av bioteknologi som bruker metoder for å isolere celler fra kroppen, transformere dem og dyrke dem i næringsmedier.

Et av områdene innen celleteknikk er bruken av stamceller for å gjenopprette skadet vev og organer. Under laboratorieforhold er reproduksjon og videre spesialisering av stamceller mulig. Dette åpner for muligheter for kunstig dyrking av vev og enkelte organer fra mennesker og dyr med den hensikt å introdusere dem i organismer.

Et annet område innen cellulær engineering er kloning av organismer. Klon (fra gresk klone - gren, avkom) er en samling av celler eller individer hentet fra en felles stamfar aseksuelt; en klon består av genetisk homogene celler eller organismer. Hos planter er naturlig kloning vanlig på grunn av aseksuell, spesielt vegetativ, reproduksjon. Forskere produserer også kunstige kloner av planter.

applikasjon

Skrevet på Allbest.ru

Lignende dokumenter

Genteknologi: opprinnelseshistorie, generelle egenskaper, Fordeler og ulemper. Kjennskap til de nyeste metodene for genteknologi og deres bruk i medisin. Utvikling av genteknologi innen husdyr- og fjørfeoppdrett. Eksperimenter på rotter.

kursarbeid, lagt til 07.11.2012


Fremveksten av bioteknologi. Hovedretninger for bioteknologi. Bioenergi som en gren av bioteknologi. Praktiske prestasjoner av bioteknologi. Historie om genteknologi. Mål, metoder og enzymer for genteknologi. Prestasjoner av genteknologi.

sammendrag, lagt til 23.07.2008


Bruken av genteknologi som et bioteknologisk verktøy for å kontrollere arven til levende organismer. Funksjoner av de viktigste metodene og prestasjonene til genteknologi i medisin og landbruk, tilhørende farer og utsikter.

rapport, lagt til 05.10.2011


Metoder for dyrking av menneskelige og animalske somatiske celler på kunstige næringsmedier som en forutsetning for utvikling av celleteknikk. Stadier av somatisk hybridisering. Overføring av genetisk materiale. Opprinnelsen til transgene planter.

sammendrag, lagt til 23.01.2010


Konsept og grunnleggende metoder for genteknologi. Metode for DNA-isolering ved å bruke eksemplet med DNA-plasmider. Prinsipper for drift avt. Overføring og påvisning av klonede gener i celler. Konstruksjon og introduksjon av rekombinante DNA-molekyler i celler.

sammendrag, lagt til 23.01.2010


Essensen av gen- og celleteknologi. Hovedoppgavene for genetisk modifisering av planter, analyse av skadeligheten av deres forbruk som mat. Funksjoner ved hybridisering av plante- og dyreceller. Mottaksmekanisme medisinske stoffer ved hjelp av genteknologi.

presentasjon, lagt til 26.01.2014


Transplantasjon av gener og deler av DNA fra en art til celler fra en annen organisme. Historie om genteknologi. Holdning til genmodifiserte organismer i verden. Nye GM-varianter. Hva bringer genteknologi til menneskeheten? Hva er utsiktene for genteknologi?

presentasjon, lagt til 24.02.2015


Historie, mål og grunnlag for genteknologi; bioetiske aspekter. Grupper genetiske sykdommer, deres diagnose og behandling. Anvendelse av genteknologi i medisinsk praksis: genvaksiner, genterapi, produksjon av legemidler.

sammendrag, lagt til 26.10.2011


Bruk av celler som ikke finnes i naturen i bioteknologiske prosesser. Å isolere gener fra celler, manipulere dem og introdusere dem i andre organismer er grunnlaget for oppgavene til genteknologi. Historie om genteknologi. Problemer med GMO-produkter.

presentasjon, lagt til 21.02.2014


Forutsetninger for fremveksten av genetikk. Grunnlaget for mutasjonsteori. Genetikk som vitenskapen om arv: dens første lover og utvikling. Genteknologi: forskningsaspekter og praktiske resultater. Kloning av organer og vev.

Definisjon Et av områdene innen bioteknologi som omhandler dannelse av biologiske erstatninger for vev og organer. Beskrivelse Opprettelsen av biologiske vevserstatninger (transplantater) omfatter flere stadier: 1) seleksjon og dyrking av eget eller donorcellemateriale; 2) utvikling av en spesiell bærer for celler (matrise) basert på biokompatible materialer; 3) påføring av en cellekultur på matrisen og celleproliferasjon i en bioreaktor med spesielle dyrkingsbetingelser; 4) direkte innføring av transplantatet i området til det berørte organet eller foreløpig plassering i et område som er godt forsynt med blod for modning og dannelse av mikrosirkulasjon inne i transplantatet (prefabrikasjon). Cellematerialet kan representeres av celler fra det regenererte vevet eller stamceller. For å lage podematriser brukes biologisk inerte syntetiske materialer, materialer basert på naturlige polymerer (kitosan, alginat, kollagen), samt biokomposittmaterialer. For eksempel oppnås benvevsekvivalenter ved rettet differensiering av stamceller fra benmarg, navlestrengsblod eller fettvev. Deretter blir de resulterende osteoblastene påført ulike materialer som støtter deres deling - donorbein, kollagenmatriser, porøs hydroksyapatitt, etc. Levende hudekvivalenter som inneholder donor- eller egne hudceller er for tiden mye brukt i USA, Russland og Italia. Disse designene kan forbedre helingen av omfattende brannsår. Utviklingen av grafts utføres også i kardiologi (kunstige hjerteklaffer, rekonstruksjon av store kar og kapillærnettverk); for å gjenopprette åndedrettsorganene (strupehodet, luftrøret og bronkiene), tynntarmen, leveren, urinsystemet, endokrine kjertler og nevroner. Bruken av stamceller er mye brukt innen vevsteknikk, men har begrensninger både etiske (embryonale stamceller) og genetiske (i noen tilfeller forekommer ondartet deling av stamceller). Forskning senere år viste at det ved hjelp av genteknologiske manipulasjoner er mulig å få såkalte pluripotente stamceller (iPSc) fra hudfibroblaster, som i egenskap og potensial ligner embryonale stamceller. Metallnanopartikler i vevsteknikk brukes til å kontrollere cellevekst ved å utsette dem for magnetiske felt i forskjellige retninger. For eksempel var det på denne måten mulig å lage ikke bare analoger av leverstrukturer, men også slike komplekse strukturer som elementer i netthinnen. Nanokomposittmaterialer gir også nanoskala overflateruhet av matriser for effektiv dannelse av beinimplantater ved bruk av elektronstrålelitografi (EBL). Opprettelsen av kunstig vev og organer vil eliminere behovet for transplantasjon av de fleste donororganer og vil forbedre livskvaliteten og overlevelsen til pasientene. Forfattere

• Naroditsky Boris Savelievich, doktor i biologiske vitenskaper
• Nesterenko Lyudmila Nikolaevna, Ph.D.

1. Nanoteknologi i vevsteknikk / Nanometer. - URL: http://www.nanometer.ru/2007/10/16/tkanevaa_inzheneria_4860.html (tilgangsdato 10/12/2009)
2. Stamcelle / Wikipedia - det frie leksikonet. URL: ttp://ru.wikipedia.org/wiki/Stamceller (tilgangsdato 10/12/2009)

encyklopedisk ordbok nanoteknologi. - Rusnano. 2010 .

Se hva "vevsteknikk" er i andre ordbøker:

vevsteknikk- Metoder for å kontrollere kroppsceller for å danne nytt vev eller uttrykke biologisk aktive stoffer Bioteknologiemner EN vevsteknikk ... Teknisk oversetterveiledning

Begrepet bioengineering Begrepet på engelsk bioengineering Synonymer biomedical engineering Forkortelser Beslektede termer bionedbrytbare polymerer, biomedisinske mikroelektromekaniske systemer, biomimetikk, biomimetiske nanomaterialer, ... ...

Begrepet biomimetiske nanomaterialer Begrepet på engelsk biomimetiske nanomaterialer Synonymer til biomimetikk, biomimetikk Forkortelser Beslektede begreper proteiner, biologisk nedbrytbare polymerer, bioengineering, biomimetikk, biokompatibilitet, biokompatibel... ... Encyclopedic Dictionary of Nanotechnology

Vadim Sergeevich Repin Fødselsdato: 31. juli 1936 (1936 07 31) (76 år gammel) Fødested: USSR Land ... Wikipedia

- (latinsk placenta, "kake") et embryonalt organ i alle placentale hunnlige pattedyr, noen pungdyr, hammerhodefisk og andre viviparøse bruskfisker, samt viviparøse onychophorans og en rekke andre grupper av dyr, som tillater ... ... Wikipedia

Inneholder noen av de mest fremragende aktuelle hendelsene, prestasjonene og innovasjonene på ulike felt moderne teknologi. Nye teknologier er de tekniske nyvinningene som representerer progressive endringer innen feltet... ... Wikipedia

Artikkelsamfifile biologisk nedbrytbare polymerer biologiske membranbiologiske motorerbiologiskesensbeleggbisl... Encyclopedic Dictionary of Nanotechnology

Artikler"tosidige" partikkelaktmotorerbiologiskesert på nanomaterialerhydrogenbinding... Encyclopedic Dictionary of Nanotechnology

Artikler "myk" kjemibiologisk membranbiomimetikkbiomimetiske nanobelegg tolagsteknikkhybridmaterialerDNADNA mikrochipgenleveringskap... Encyclopedic Dictionary of Nanotechnology

Dette tjenesteliste artikler laget for å koordinere arbeidet med utviklingen av temaet. Denne advarselen gjelder ikke... Wikipedia

Bøker

• Vevsteknikk, kreativt team av showet "Breathe Deeper". En fundamentalt ny tilnærming – celle- og vevsteknikk – er siste prestasjon i molekylær- og cellebiologi. Denne tilnærmingen åpnet for brede muligheter for å lage... lydbok