Technológia tkanivového inžinierstva. Medicína 21. storočia: kmeňové bunky, nanodiamanty a tkanivové inžinierstvo

Čo keby sme mohli pestovať časti tela, ako hviezdica? Je to fantázia alebo realita? "TO & Z sa rozhodol zistiť, čo znamená tkanivové inžinierstvo, a čo je najdôležitejšie, je dostupný v Rusku.

Čo je tkanivové inžinierstvo

V skutočnosti je naše telo schopné regenerácie, navyše to robí každý deň: kosti sa obnovujú každých desať rokov a pokožka sa mení každé dva týždne. To však, samozrejme, nestačí. Chorobami, zraneniami a jednoducho vekom sa naše tkanivá a celé orgány rozpadávajú a odumierajú. Ako tento proces spomaliť a obnoviť to, čo už nie je? Tieto problémy rieši pokročilý smer regeneratívnej medicíny – tkanivové inžinierstvo, ktoré umožňuje vybudovať stratenú kožu a časti orgánov, ako je srdce či močový mechúr.

Prečo je potrebné tkanivové inžinierstvo?

Nekróza tkaniva v dôsledku choroby, traumy alebo vrodených anomálií je celosvetovým problémom verejného zdravia číslo jedna. Potreba transplantácií exponenciálne rastie vo všetkých krajinách. Klasická moderná medicína v súčasnosti nedokáže vyliečiť mnohé chronické ochorenia – možné sú len korekčné postupy, no výzvou je aj nájdenie plne kompatibilného darcu.

Dnes je jednou z hlavných metód obnovy orgánov a tkanív v prípadoch, keď nie je možná transplantácia vlastného materiálu, jeho transplantácia - od žijúceho darcu alebo od nedávno zosnulej osoby. Hlavná vec v tomto procese je maximálna biologická kompatibilita darcu a príjemcu. Ale aj v tomto prípade bude imunitný systém odolávať a brániť prihojeniu transplantovaného orgánu alebo tkaniva. Preto sa pacientom, ktorí podstúpili transplantáciu, dočasne alebo trvalo predpisujú špeciálne lieky – imunosupresíva. V skutočnosti potláčajú vlastný imunitný systém človeka. Ale napriek mnohým snahám sa transplantovaný orgán veľmi často nezakorení.

Podľa zásady „neškodiť“ vedci a lekári už dlho hľadajú spôsoby, ako obnoviť tkanivá a orgány pomocou síl vlastného tela pacienta. Na to sa objavila celá sekcia rekonštrukčnej chirurgie založená na mikrochirurgických technikách. Šiť alebo transplantovať prst v prípade poranenia, napríklad z nohy na ruku, obnoviť prsnú žľazu po odstránení zhubného nádoru a dokonca vrátiť značnú časť tváre pacienta - po úraze, onkológii alebo úraze. Mikrochirurgia však nie je všemocná. Tak začalo prekvitať tkanivové inžinierstvo, ktoré sa objavilo dávno pred mikrochirurgiou.

Trochu histórie

Prvýkrát sa nad tým zamyslel americký lekár Leo Loeb koncom 19. storočia. V roku 1897 uskutočnil experiment: pozoroval, ako sa bunky delia v koagulovanej krvi a lymfe. Po zverejnení svojich pozorovaní však neprezradil presné parametre experimentu, vďaka čomu bola táto práca ešte zaujímavejšia. Po ňom sa mnohí vedci pokúšali priblížiť túto tému z rôznych uhlov pohľadu, no až o desať rokov neskôr sa jeho kolegovi a krajanovi, vedcovi Rossovi Harrisonovi, podarilo vypestovať a udržať živé nervové vlákna a bunky odobraté z tkaniva žabieho embrya. A už v roku 1912 francúzsky chirurg Alexis Carrel spolu so svojimi kolegami dokázal udržať život malej časti srdca kuracieho embrya. Tento biomateriál zostal životaschopný a dokonca rástol 24 rokov!

Metódy pestovania tkaniva

Odvtedy prešlo tkanivové inžinierstvo dlhú cestu. Teraz sa na pestovanie tkaniva používajú rôzne metódy, ale jeden z hlavných - lešenie - technológia lešenia. Experimentátori z rôznych krajín ju praktizujú už od 90. rokov. Podľa tejto technológie sa odoberajú bunky živého organizmu ako vzorka: kúsok tkaniva alebo nejaký samostatný orgán. Potom sa pomocou enzýmov rozoberie na jednotlivé bunky a štyri až šesť týždňov sa kultivuje.

Ďalšia fáza - transplantácia namnožených buniek na lešenie,špeciálna dočasná matrica. Navonok možno lešenie zameniť za bavlnenú látku, celkom vhodnú na blúzku alebo košeľu, no v skutočnosti ide o zložito skonštruovaný umelý materiál. Na takomto ráme sa pestuje biomateriál určený na transplantáciu osobe. Dizajn sa implantuje tam, kde nie je žiadne tkanivo, napríklad na močovej trubici alebo obličkách. Lešenie funguje ako akýsi kuriér pre nové bunky. Akonáhle je poškodené tkanivo opravené, doručovateľ sa absorbuje a zmizne bez stopy.

Pozoruhodným príkladom takejto práce je rekonštrukcia močového mechúra amerického chirurga Anthonyho Atalu pre Luka Massellu, desaťročného chlapca s vrodenou chybou chrbtice – rozštiepením. Choroba ochromila močový mechúr dieťaťa a kým rodičia išli k lekárovi o pomoc, obličky už zlyhávali. „Na výrastok“ odobrali tkanivo močového mechúra vo veľkosti polovice poštovej známky. Kultivácia buniek v laboratóriu trvala štyri týždne. Atalov tím potom vytvoril lešenie v tvare močového mechúra, pričom vnútorný obal tohto lešenia je pokrytý bunkami lemujúcimi „pôvodný“ orgán a vonkajší obal svalovými bunkami. Model bol umiestnený do bioreaktora (medicínsky analóg pece) na zrenie. Po šiestich až ôsmich týždňoch bol plne vytvorený orgán transplantovaný. Rovnako zložitým spôsobom sa Atalovi podarilo vypestovať srdcovú chlopňu a dokonca aj ucho. Mimochodom, musel som sa s tým pohrať: chrupavka pacienta bola naočkovaná do formy, ktorá sa po niekoľkých týždňoch strávených v bioreaktore zmenila na samostatné ucho lešenia. Pre zložitejšie orgány, ako je srdce, vyvinul Atalin kolega čínsky vedec Tao Zhu techniku, ktorá využíva 3D tlačiarne. Namiesto atramentu sa do náplní nalejú ľudské bunky, z ktorých sa doslova do hodiny vytlačí srdce a po 46 hodinách je pripravené na použitie.

Ako rámec sa používajú aj darcovské orgány. Vezmime si pečeň: pomocou špeciálnych prostriedkov sa z nej odoberú všetky darcovské bunky, následne sa do zdevastovanej „kostry“ zavedú bunky pacienta – zvnútra aj zvonku. Bunky pacienta sú zárukou, že nedôjde k odmietnutiu z tela. Tkanivové inžinierstvo stále patrí k experimentálnej vede, ale už existujúce experimenty dokazujú, že touto technikou sa dá vytvoriť všetko – srdcové chlopne, cievy, pečeň, svaly, uši aj prsty človeka. Vedci dúfajú, že nová technika pomôže zvládnuť aj ďalší akútny problém transplantológie – nedostatok darcovských orgánov.

Autotransplantácia v estetickej medicíne

Dnes sa konvenčná autotransplantácia široko používa pri popáleninách, poraneniach chrupaviek, šliach a dokonca aj kostí. V súčasnosti tkanivové inžinierstvo na úrovni medicíny krásy nemôže ponúknuť nič výnimočné, ale niečo tu je. V estetickej medicíne je široko využívaná operácia autotransplantácie chrupavky a tukového tkaniva. Vlastné tkanivo chrupavky sa pri rinoplastike oveľa lepšie zakorení a umožňuje flexibilne modelovať tvar nosa. Pomocou genioplastiky môžete ľahko zmeniť uhol brady s tkanivom. Inštalácia chrupavkových implantátov sa používa aj pri malarplastike na zväčšenie objemu zygomatickej oblasti.

Regeneratívna medicína v Rusku

V Rusku nie je situácia s tkanivovým inžinierstvom taká ružová, orgány zatiaľ nikomu nepestujú, v kardiológii existujú regeneračné techniky, využíva sa mimotelová hemakorekcia. Experimenty sa uskutočňujú na 3D tlači, ale v súčasnosti je ani z právneho hľadiska nemožné takéto operácie vykonávať.

Regeneratívna medicína, najmä kultivácia kmeňových buniek mimo ľudského tela, je jednou z hlavných a dôležitých udalostí vo svetovej praxi. Najnovšie, v roku 2014, sa vedcom z Inštitútu fyzikálneho a chemického výskumu Japonska podarilo vrátiť zrak 70-ročnej žene a tento rok si Japonci mohli vypestovať kožu, vlasové folikuly a minipečeň. Kultiváciu chrupaviek, tkanív a niektorých celých orgánov má už medicína k dispozícii. Neďaleko - srdce, pankreas a nervové tkanivo, mozog. Štatistiky zatiaľ nie sú povzbudivé: na svete zomrú za minútu dvaja ľudia, ktorých by mohla zachrániť transplantácia vlastného tkaniva. Autotransplantácia je budúcnosť, ktorá môže zachrániť milióny životov.

) — vytvorenie nových tkanív a orgánov na terapeutickú rekonštrukciu poškodeného orgánu dodaním podporných štruktúr, molekulárnych a mechanických signálov na regeneráciu do požadovanej oblasti.

Popis

Bežné implantáty vyrobené z inertných materiálov dokážu eliminovať iba fyzikálne a mechanické defekty poškodených tkanív. Cieľom tkanivového inžinierstva je obnoviť biologické (metabolické) funkcie, teda regeneráciu tkaniva, a nie len nahradiť ho syntetickým materiálom.

Vytvorenie tkanivového inžinierstva implantátu (štepu) zahŕňa niekoľko fáz:

1. selekcia a kultivácia vlastného alebo darcovského bunkového materiálu;
2. vývoj špeciálneho nosiča pre bunky (matrix) na báze biokompatibilných materiálov;
3. aplikácia bunkovej kultúry na matricu a množenie buniek v bioreaktore so špeciálnymi kultivačnými podmienkami;
4. priame zavedenie štepu do oblasti postihnutého orgánu alebo predbežné umiestnenie do oblasti dobre zásobenej krvou na dozrievanie a tvorbu mikrocirkulácie vo vnútri štepu (prefabrikácia).

Bunkovým materiálom môžu byť regenerované tkanivové bunky alebo kmeňové bunky. Na vytváranie matríc štepov sa používajú biologicky inertné syntetické materiály, materiály na báze prírodných polymérov (chitosan, alginát, kolagén), ako aj biokompozitné materiály. Napríklad ekvivalenty kostného tkaniva sa získajú cielenou diferenciáciou kmeňových buniek kostnej drene, pupočníkovej krvi alebo tukového tkaniva. Potom sa vzniknuté osteoblasty (mladé kostné bunky zodpovedné za jej rast) aplikujú na rôzne materiály, ktoré podporujú ich delenie – darcovská kosť, kolagénové matrice, porézny hydroxyapatit atď. , Taliansko. Tieto konštrukcie zlepšujú hojenie rozsiahlych popálenín. Vývoj štepov sa realizuje aj v kardiológii (umelé srdcové chlopne, rekonštrukcia veľkých ciev a kapilárnych sietí); obnoviť dýchacie orgány (hrtan, priedušnica a priedušky), tenké črevo, pečeň, orgány močového systému, endokrinné žľazy a neuróny. kovy v tkanivovom inžinierstve sa používajú na riadenie rastu buniek vystavením magnetickým poliam rôznych smerov. Napríklad týmto spôsobom bolo možné vytvoriť nielen analógy pečeňových štruktúr, ale aj také zložité štruktúry, ako sú prvky sietnice. Taktiež materiály vytvorené pomocou metódy (elektrónová lúčová litografia, EBL) poskytujú nanometrový povrch matríc pre efektívnu tvorbu kostných implantátov. Vytvorenie umelých tkanív a orgánov umožní odmietnuť transplantáciu väčšiny darcovských orgánov, zlepší kvalitu života a prežitie pacientov.

Autori

• Naroditsky Boris Savelievich
• Nesterenko Ľudmila Nikolajevna

Zdroje

1. Nanotechnológie v tkanivovom inžinierstve // ​​Nanometer. -www.nanometer.ru/2007/10/16/tkanevaa_inzheneria_4860.html
2. Kmeňová bunka // Wikipedia, bezplatná encyklopédia.

Tkanivové inžinierstvo (TI) ako disciplína začala svoju históriu v prvej polovici 20. storočia. Základom jeho založenia bol teoretický a praktický vývoj v oblasti vytvárania „umelých“ orgánov a tkanív a práca na transplantácii buniek a biologicky aktívnych zložiek na nosičoch s cieľom obnoviť poškodenie v rôznych tkanivách tela (Langer R., Vacanti J.P. , 1993).

V súčasnosti je tkanivové inžinierstvo jedným z najmladších odborov v medicíne, založených na princípoch molekulárnej biológie a genetického inžinierstva. Interdisciplinárny prístup v ňom použitý je zameraný predovšetkým na vytváranie nových biokompozitných materiálov na obnovu stratených funkcií jednotlivých tkanív alebo orgánov ako celku (Spector M., 1999). Hlavné princípy tohto prístupu spočívajú vo vývoji a použití nosičov vyrobených z biodegradovateľných materiálov na implantáciu do poškodeného orgánu alebo tkaniva, ktoré sa používajú v kombinácii buď s darcovskými bunkami a/alebo bioaktívnymi látkami. Napríklad pri liečbe rany to môžu byť kolagénové povlaky s alofibroblastmi a pri cievnej chirurgii umelé cievy s antikoagulanciami (Vacanti SA et. al., 1993). Okrem toho jednou z vážnych požiadaviek na takéto nosné materiály je, že musia poskytovať spoľahlivú oporu, to znamená oporu a/alebo funkciu tvoriacu štruktúru v poškodenej oblasti tkaniva alebo orgánu.

Jednou z hlavných úloh tkanivového inžinierstva pri liečbe kostných patológií je preto vytváranie umelých biokompozitov pozostávajúcich z alo- a/alebo xenomateriálov v kombinácii s bioaktívnymi molekulami (kostné morfogenetické proteíny, rastové faktory atď.) a schopných indukovať osteogenéza. Zároveň musia mať takéto biomateriály množstvo nevyhnutných vlastností kostí (Yannas IV. et. al., 1984; Reddi A. H. et. al., 1987; Reddi A. H., 1998).

Najprv musia spĺňať a udržiavať (lešenie) rozsah vady.

Po druhé, mať osteoinduktivitu, teda aktívne indukovať osteoblasty a prípadne ďalšie mezenchymálne bunky na tvorbu kosti.

A po tretie, mať dobré ukazovatele biointegrácie a biokompatibility, teda byť odbúrateľný a nespôsobovať u príjemcu zápalové a imunitné reakcie. Posledná uvedená kvalita sa zvyčajne dosahuje v biomateriáli iba znížením jeho antigénnych charakteristík.

Kombinácia všetkých týchto vlastností umožňuje takýmto biomateriálom súbežne s nosnou, mechanickou funkciou zabezpečiť biointegráciu - vrastanie buniek a ciev do štruktúr implantátu s následnou tvorbou kostného tkaniva.

Je známe, že podporný účinok každého biomateriálu je zabezpečený spravidla jeho štruktúrnymi vlastnosťami. V prípade biomateriálov je tento indikátor zvyčajne spojený s architektonikou natívneho tkaniva, z ktorého bol získaný. V prípade kosti sú hlavnými parametrami jej štrukturálnej pevnosti tvrdo-elastické charakteristiky kostnej matrice a veľkosť pórov v nej (Marra P. G. 1998; Thomson R. C. et. al., 1998).

Medzi najčastejšie biomateriály s výraznou podpornou funkciou patrí umelý a prírodný hydroxyapatit (HA), biokeramika, kyselina polyglykolová a kolagénové proteíny (Friess W., 1998).

V súčasnosti sa na nahradenie kostných defektov v chirurgickej stomatológii, ortopédii a traumatológii používa mnoho rôznych foriem hydroxyapatitu, ktoré sa líšia tvarom a veľkosťou častíc. Predpokladá sa, že umelo získaný hydroxyapatit je prakticky identický v chemickom zložení a kryštalografických parametroch s prirodzeným kostným hydroxyapatitom (Parsons J., 1988). Mnoho autorov experimentálne aj klinicky ukazuje, že použitie hydroxyapatitu má významné výhody oproti iným materiálom implantátov. Jeho pozitívne vlastnosti teda zahŕňajú také ukazovatele, ako je ľahká sterilizácia, dlhá skladovateľnosť, vysoká úroveň biokompatibility a extrémne pomalá resorpcia v tele (Volozhin A.I. et al., 1993). Hydroxyapatit je bioinertný a vysoko kompatibilný s kosťou (Jarcho M. et.al., 1977), ako sa ukázalo v experimentálnych štúdiách. V procese nahradenia kostného defektu v prítomnosti HA, pod vplyvom biologických tekutín a tkanivových enzýmov, môže byť hydroxyapatit čiastočne alebo úplne resorbovaný (Klein A.A., 1983). Pozitívny účinok hydroxyapatitu po jeho implantácii do kostnej dutiny sa zjavne vysvetľuje nielen osteokonduktívnymi vlastnosťami materiálu, ale aj jeho schopnosťou absorbovať na svojom povrchu proteíny indukujúce osteogenézu (Ripamonti U., Reddi A.H., 1992).

V súčasnosti sa väčšina biomateriálov na obnovu kostných defektov získava z chrupavky a/alebo kostného tkaniva ľudí alebo rôznych zvierat. Na výrobu kompozitných materiálov sa často používajú aj zložky iných typov spojivového tkaniva - koža, šľachy, meningy atď. (Voupe P.J., 1979; Yannas I.V. a kol., 1982; Chvapel M., 1982; Goldberg V.M. a kol., 1991; Damien C.J., Parsons J.R., 1991).

Kolagén je najznámejší z moderných biomateriálov. Jeho široké využitie v praktickej medicíne je spojené s rozvojom rekonštrukčnej chirurgie a hľadaním nových materiálov, ktoré plnia lešenárske a plastické funkcie pri regenerácii tkanív. Medzi hlavné výhody kolagénu ako plastového biomateriálu patrí jeho nízka toxicita a antigenicita, vysoká mechanická pevnosť a odolnosť voči tkanivovým protézam (Istranov L.P., 1976). Zdrojom tvorby kolagénu pri výrobe produktov pre plastickú chirurgiu sú tkanivá bohaté na tento proteín – koža, šľachy, osrdcovník a kosť. Dermálny kolagénový roztok vyrábaný spoločnosťou Collagen Corp. je široko používaný v lekárskej praxi. (Palo-Alto USA), pod názvami "Zyderm" a "Zyplast". Na základe tohto kolagénu boli vyvinuté rôzne medicínske produkty, ako sú implantáty, krytie rán, chirurgické nite na zošívanie povrchov rán atď.

V 70. rokoch minulého storočia boli prvýkrát získané údaje o vplyve kolagénových štepov na obnovu kostného tkaniva. Zároveň sa zistilo, že kolagénové implantáty podporujú proliferáciu fibroblastov, vaskularizáciu blízkych tkanív a zjavne vyvolávajú tvorbu nového kostného tkaniva s jeho následnou reštrukturalizáciou (Reddi A.H., 1985). Ako rýchlo biodegradujúci materiál sa kolagén používal aj vo forme gélu na obnovu kostných defektov (De Balso A.M., 1976). Výsledky získané týmto autorom tiež naznačujú, že prípravky na báze kolagénu sú schopné stimulovať regeneráciu kostného tkaniva.

Zároveň sa na nahradenie kostných defektov začali štúdie o použití biokompozitných materiálov s obsahom kolagénu aj hydroxyapatitu. Takže pre maxilofaciálnu chirurgiu a chirurgickú stomatológiu boli vyvinuté kompozície "Alveloform" a "Bigraft" obsahujúce purifikovaný fibrilárny kožný kolagén a častice HA (Collagen Corp., Palo Alto, USA). Tieto biomateriály boli použité na obnovu alveolárneho hrebeňa pri chirurgickej liečbe pacientov s parodontitídou (Krekel G. 1981, Lemons M. M. 1984, Miller E. 1992). Histologické a ultraštrukturálne štúdie preukázali, že zloženie - kolagén a HA má pozitívny vplyv na regeneráciu chrbtovej kosti, no zároveň tento druh biomateriálov plní hlavne kostrové a vodivé funkcie, to znamená, že vykazujú svoje osteokondukčné vlastnosti. (Mehlisch D.R., 1989). Neskôr k podobným záverom dospelo mnoho ďalších výskumníkov a väčšina vedcov sa v súčasnosti drží tohto názoru (Glimcher M.J., 1987; Friess W., 1992; VaccantiC.A. et.al., 1993).

Avšak podľa inej skupiny výskumníkov majú biokompozitné materiály obsahujúce dermálny kolagén "Ziderm" a syntetický hydroxyapatit určité osteogénne potencie. Napríklad Katthagen a kol. (1984), ktorí študovali účinok materiálu Collapat obsahujúceho kožný kolagén typu 1 a vysoko disperzné častice hydroxyapatitu na obnovu kostných defektov stehennej kosti u králikov, zistili, že regenerácia kostného tkaniva u pokusných zvierat prebieha 5-krát rýchlejšie ako u kontrol. Tieto experimentálne výsledky vytvorili základ pre ďalšiu aplikáciu materiálu "Kollapat" v klinickej praxi.

Je dobre známe, že najvhodnejšie na transplantáciu a následnú biointegráciu sú nepochybne autoštepy, ktoré sa pripravujú z vlastných tkanív pacienta a tým sa úplne eliminujú hlavné imunologické a najinfekčnejšie komplikácie pri následnej transplantácii (Enneking W.F. et.al., 1980; Summers B.N., Eisenstein S.M., 1989; Reddi A.H., 1985; Goldberg V.M. et.al., 1991). Takéto materiály však musia byť pripravené bezprostredne pred transplantáciou, inak musí mať klinika kostnú banku na uskladnenie takéhoto biomateriálu, ktorý je v skutočnosti dostupný len pre veľmi veľké zdravotnícke zariadenia kvôli vysokým nákladom na prípravu a skladovanie týchto materiálov. Okrem toho sú možnosti získania značného množstva automatu veľmi obmedzené a darca pri jeho odbere spravidla podstupuje vážne chirurgické zákroky. Toto všetko výrazne obmedzuje rozšírené používanie autotransplantátov (Bos G.D. et.al., 1983; Horowitz M.C. 1991). V oblasti liečby kostných patológií preto tkanivové inžinierstvo stojí pred skutočnou úlohou vytvoriť biokompozitné materiály, ktorých použitie poskytne riešenie mnohých problémov tak pri transplantácii buniek, ako aj pri stimulácii tvorby kosti v miestach jej poškodenia, resp. pri znižovaní pracovných a finančných nákladov pri odstraňovaní poškodenia kostí u pacientov rôznych profilov.

V súčasnosti, vďaka úsiliu mnohých výskumníkov pracujúcich v oblasti tkanivového inžinierstva, boli vyvinuté a implementované biokompozitné materiály, ktoré zahŕňajú natívne bunky kostnej drene a stromálne osteogénne progenitorové bunky pestované v jednovrstvových kultúrach kostnej drene (Gupta D. 1982, Bolder S., 1998). Títo autori zistili, že pre úspešnú indukciu osteogenézy v mieste transplantácie je potrebné vytvoriť vysokú, počiatočnú hustotu stromálnych progenitorov – asi 108 buniek. Súčasne jednoduché zavedenie suspenzie takýchto buniek neprinieslo dobré výsledky. V tomto smere vznikol vážny problém pri hľadaní nosičov na transplantáciu buniek do tela príjemcu.

Prvýkrát ako takýto nosič Gupta D. et. al. (1982) navrhli použitie xenobónu, predtým odtučneného a odvápňovaného. Ďalej sa zistilo, že v závislosti od stupňa prečistenia xenobónu sa zvyšuje percento naviazania bunkových elementov na nosič a bunky sa oveľa lepšie viažu na jeho organickú časť ako na prirodzený kostný hydroxyapatit (Hofman S., 1999).

Zo syntetických materiálov sa v súčasnosti vo veľkej miere využíva ako nosič pre transplantáciu buniek keramika (Burder S. 1998), čo je umelý hydroxyapatit získaný úpravou fosforečnanu vápenatého vysokými teplotami.

Domáci stomatochirurgovia použili dura mater ako vhodný nosič na transplantáciu alogénnych fibroblastov a poznamenali, že použitie tohto transplantátu s alofibroblastmi pri liečbe stredne ťažkej a ťažkej chronickej generalizovanej parodontitídy má oproti iným metódam liečby množstvo výhod (Dmitrieva L.A., 2001).

Predtým sa v sérii prác o konštrukcii „umelej kože“ zistilo, že úspešnosť obnovy tohto tkaniva po jeho poškodení závisí od stavu bunkového mikroprostredia v poškodenej oblasti. Na druhej strane samotné mikroprostredie je vytvorené optimálnou kombináciou hlavných zložiek extracelulárnej matrice, ako sú kolagény, glykoproteíny a proteoglykány (Yannas I. et.al., 1980, 1984; Pruitt B., Levine N. , 1984; Madden M. a kol., 1994).

Kolagén je typický fibrilárny proteín. Jeho individuálna molekula, tropokolagén, pozostáva z troch špirálových polypeptidových reťazcov, nazývaných a-reťazce, ktoré sú stočené do jednej spoločnej špirály a stabilizované vodíkovými väzbami. Každý a-reťazec obsahuje v priemere asi 1000 aminokyselinových zvyškov. V kostnom tkanive existujú dve hlavné kombinácie reťazcov – dva λ1 a jeden λ2 alebo kolagén typu 1 a tri λ-1 alebo kolagén typu III. Okrem vyššie uvedených typov boli v kostiach v malých množstvách nájdené ďalšie izoformy kolagénu (Serov V.P., Shekhter A.B., 1981).

Proteoglykány sú komplexné zlúčeniny polysacharidov s proteínom. Polysacharidy, ktoré tvoria proteoglykány, sú lineárne polyméry postavené z rôznych disacharidových podjednotiek tvorených urónovými kyselinami (glukurónová, galakturónová a idurónová), N-acetylhexozamínmi (IM-acetylglukózamín, N-acetyl-galaktózamín) a neutrálnymi sacharidmi (galaktóza, manóza a xylóza). . Tieto polysacharidové reťazce sa nazývajú glykozaminoglykány. Aspoň jeden z cukrov v disacharide má negatívne nabitú karboxylovú alebo sulfátovú skupinu (Stacey M., Barker C, 1965). Zrelé kostné tkanivo obsahuje hlavne sulfátované glykozaminoglykány (sGAG), ako sú chondroitín-4 a chondroitín-6 sulfáty, dermatansulfát a keratánsulfát. Biosyntéza proteoglykánov v kostnom tkanive sa uskutočňuje hlavne aktivovanými osteoblastmi a v malej miere zrelými osteocytmi (Juliano R., Haskell S., 1993; Wendel M., Sommarin Y., 1998).

Funkčný význam sulfátovaných glykozaminoglykánov v spojivovom tkanive (CT) je veľký a súvisí predovšetkým s tvorbou kolagénových a elastínových vlákien. Sulfátované glykozaminoglykány sa zúčastňujú takmer všetkých procesov metabolizmu spojivového tkaniva a môžu mať modulačný účinok na diferenciáciu jeho bunkových elementov (Panasyuk A.F. et al., 2000). Mnohé parametre regenerácie ST závisia od ich kvalitatívnych a kvantitatívnych charakteristík v tkanivách, ako aj od špecifík interakcie s inými zložkami extracelulárnej matrice.

Regenerácia a obnova kostného tkaniva je komplexom sekvenčných procesov, zahrňujúcich jednak aktiváciu osteogénnych buniek (nábor, proliferácia a diferenciácia), ako aj priamu tvorbu špecializovanej matrice - jej mineralizáciu a následnú remodeláciu kostného tkaniva. Zároveň sú tieto bunky vždy pod kontrolou a vplyvom množstva biologických a mechanických faktorov.

Podľa moderných koncepcií je tkanivové inžinierstvo (TI) kostného tkaniva založené na troch hlavných princípoch, ktoré zabezpečujú úspešnú náhradu tohto tkaniva.

Po prvé, najdôležitejším princípom pri tvorbe biomateriálov a štruktúr na implantáciu je reprodukcia hlavných charakteristík prirodzeného kostného matrixu, pretože práve jedinečná štruktúra kostného tkaniva má najvýraznejší vplyv na regeneračné procesy. Je známe, že tieto vlastnosti matrice závisia od jej trojrozmernej štruktúry a chemického zloženia, ako aj od jej mechanických vlastností a schopnosti ovplyvňovať bunkové formy spojivového tkaniva (CT).

Matricová architektonika zahŕňa parametre ako pomer povrchu k objemu, prítomnosť pórového systému a predovšetkým jeho funkčné a mechanické vlastnosti. Vďaka týmto indikátorom môže matrica zjavne regulovať vaskulárny vrast, poskytovať chemotaktické stimuly pre endogénne bunky, modulovať prichytenie buniek, stimulovať delenie, diferenciáciu a následnú mineralizáciu. Predpokladá sa, že trojrozmerná štruktúra konštrukcie matrice môže ovplyvniť nielen procesy indukcie, ale aj rýchlosť samotnej regenerácie.

Biomateriál alebo konštrukt vytvorený tkanivom preto musí mať vlastnosti, ktoré sú za podmienok in vivo schopné poskytnúť vodivé aj indukčné vlastnosti prirodzenej matrice. Prvé zahŕňajú také ukazovatele, ako je schopnosť naplniť a udržať objem, mechanická integrácia, zabezpečenie priepustnosti buniek a krvných ciev. Druhá - poskytuje priamy alebo nepriamy účinok na bunkové formy, stimuluje ich, aby vytvorili chrupavkové a / alebo kostné tkanivá.

Ďalším dôležitým princípom úspechu cieleného inžinierstva kostného tkaniva je využitie exogénnych a/alebo aktivačných endogénnych buniek, ktoré sa priamo podieľajú na procesoch tvorby tohto tkaniva. V tomto prípade môže byť zdrojom takýchto buniek vlastný aj darcovský organizmus. Napríklad použitie určitých typov buniek z pluripotentných stromálnych buniek kostnej drene až po bunky podobné osteoblastom bolo úspešne použité ako v experimentoch na zvieratách, tak aj na klinike.

Počas reverznej transplantácie do tela sú stromálne progenitorové bunky spravidla schopné diferencovať sa na zrelé formy, syntetizovať matricu a spustiť kaskádu endogénnych reparačných reakcií kostného tkaniva. Alternatívny pohľad na použitie kompozitných biomateriálov zároveň naznačuje ich priamy vplyv na endogénne bunky kostí a iných spojivových tkanív, ich nábor (pritiahnutie) do implantačnej zóny, stimuláciu ich proliferácie a zvýšenie ich biosyntetickej aktivity, čo ich vynucuje. bunky aktívne tvoria kostné tkanivo. Okrem toho môžu byť takéto materiály dobrými bunkovými nosičmi, na ktorých môžu rásť kmeňové bunky pred transplantáciou. Posledným z hlavných princípov úspechu inžinierstva kostného tkaniva je využitie bioaktívnych molekúl vrátane rastových faktorov, cytokínov, hormónov a iných biologicky aktívnych látok.

Na indukciu tvorby kosti sú najznámejšími faktormi kostné morfogenetické proteíny, transformujúci rastový faktor - TGF-β, inzulínu podobný rastový faktor IGF a vaskulárny endotelový rastový faktor VEGF. Preto môže byť biokompozitný materiál nasýtený a/alebo môže obsahovať tieto bioaktívnych molekúl v jeho štruktúre, čo umožňuje jeho využitie počas implantácie ako depot pre takéto látky. Postupné uvoľňovanie týchto faktorov môže aktívne ovplyvňovať procesy regenerácie kostí. Okrem týchto látok môže zloženie kompozitných materiálov zahŕňať mikro- a makroelementy, ako aj ďalšie molekuly (cukry, peptidy, lipidy atď.), ktoré sú schopné stimulovať a udržiavať zvýšenú fyziologickú aktivitu buniek v zotavujúcom sa kostnom tkanive.

V súčasnosti existuje široká škála bioplastických materiálov, ktoré majú osteokonduktívne a/alebo osteoindukčné vlastnosti. Materiály obsahujúce prakticky čistý hydroxyapatit (HA), ako sú Osteogaf, Bio-Oss, Osteomin, Ostim, teda vykazujú hlavne vodivé vlastnosti, aj keď sú schopné vykazovať slabý osteoindukčný účinok. Ďalšou skupinou materiálov je úplne alebo čiastočne demineralizované kostné tkanivo, ako aj kombinácie týchto materiálov s biologicky aktívnymi látkami, ako sú kostné morfogenetické proteíny a/alebo rastové faktory [Panasyuk A.F. a kol., 2004].

Najdôležitejšími požiadavkami na bioplastické materiály zostávajú také parametre, ako sú ich antigénne a indukčné vlastnosti. Okrem toho rôzne operácie často vyžadujú materiály, ktoré spolu s vyššie uvedenými indikátormi majú dobré plastické alebo pevnostné charakteristiky na vytvorenie a udržanie potrebných tvarov a konfigurácií pri plnení dutín a defektov tkaniva.

Berúc do úvahy všetko vyššie uvedené, Konectbiopharm LLC vyvinula technológiu na získavanie kostného kolagénu a kostných sulfátovaných glykozaminoglykánov (sGAG) a na ich základe boli vyrobené biokompozitné osteoplastické materiály série Biomatrix a Osteomatrix. Hlavný rozdiel medzi týmito skupinami biomateriálov je v tom, že Biomatrix obsahuje kostný kolagén a sulfátované kostné glykozaminoglykány a Osteomatrix, ktorý má rovnaké dve hlavné zložky kostného tkaniva, obsahuje aj hydroxyapatit vo svojej prirodzenej forme [Panasyuk A. F. a kol., 2004]. Zdrojom týchto biomateriálov sú hubovité a kortikálne kosti rôznych zvierat, ale aj ľudí. Kostný kolagén získaný touto technológiou neobsahuje iné proteíny a v podmienkach in vitro je prakticky nerozpustný v dostatočne koncentrovaných roztokoch zásad a organických kyselín.

Táto vlastnosť umožňuje biomateriálom byť nielen inertné vo vzťahu k imunitnému systému organizmu, ale aj dlhodobú odolnosť voči biodegradácii po ich implantácii. V súčasnosti sa na urýchlenie rastu kostí a mäkkých tkanív aktívne používa metóda bunkovej stimulácie plazmou bohatou na krvné doštičky (PRP). Táto nová biotechnológia cieleného tkanivového inžinierstva a bunkovej terapie je podľa niektorých autorov skutočným prelomom v chirurgickej praxi. Získanie takejto plazmy si však vyžaduje určité technické vybavenie a v niektorých prípadoch aj špeciálne vyškolených zamestnancov. Použitie materiálu Biomatrix na tieto účely úplne rieši skutočný problém s minimálnymi nákladmi, pretože nie je potrebné izolovať krvné doštičky z krvi pacienta. V sérii experimentov sme zistili, že materiál "Biomatrix" je schopný špecificky a vo veľkých množstvách viazať krvné doštičky periférnej krvi (tabuľka 1).

Tabuľka 1 Väzba krvných doštičiek na kostný kolagén.

* - 6 ml krvi bolo inkubovaných s 1 g kostného kolagénu (1 g suchého kostného kolagénu zaberá objem 2 až 7 cm³, v závislosti od jeho pórovitosti). Údaje v tabuľke sú uvedené ako obsah krvných doštičiek v 1 ml krvi po jej prechode cez 1 cm³ kostného kolagénu.

Takže 1 cm³ biomateriálu Biomatrix je schopný viazať takmer všetky krvné doštičky (viac ako 90%) z 1 ml krvi, teda od 226 do 304 miliónov krvných doštičiek. Súčasne dochádza k rýchlej väzbe krvných doštičiek na kostný kolagén, ktorá je ukončená v priebehu niekoľkých minút (graf 1).

Graf 1. Rýchlosť väzby krvných doštičiek na kostný kolagén.

Zistilo sa tiež, že ak sa biomateriál "Biomatrix" použil bez pokrytia antikoagulanciami, tvorba zrazeniny nastala takmer okamžite. Teraz sa dokázalo, že pracovná koncentrácia pre plazmu bohatú na krvné doštičky začína od 1 milióna krvných doštičiek na µl. Preto na získanie plazmy bohatej na krvné doštičky musia byť krvné doštičky koncentrované v priemere 5-krát, ale súčasne napr. izolácia si vyžaduje značné finančné náklady a určité odborné skúsenosti. Okrem toho na aktiváciu krvných doštičiek a ich uvoľňovanie 7 rastových faktorov: 3 typy PDGF-aa, -bb, -ab, dva transformujúce rastové faktory - TGF-β1 a β2, vaskulárny endotelový rastový faktor VEGF a epiteliálny rastový faktor EGF - bohatá plazma musí byť pred použitím koagulovaná krvnými doštičkami. V porovnaní so známymi metódami môže biomateriál "Biomatrix" výrazne zvýšiť koncentráciu krvných doštičiek. Kolagén je zároveň práve tým proteínom, ktorý je schopný aktivovať Hagemanov faktor (XII faktor zrážania krvi) a komplementový systém.

Je známe, že aktivovaný Hagemanov faktor spúšťa kaskádu reakcií systému zrážania krvi a vedie k vytvoreniu fibrínovej zrazeniny. Tento faktor alebo jeho fragmenty môžu tiež iniciovať kalikreín-kinínový systém krvi. Kostný kolagén v zložení materiálov "Biomatrix" a "Osteomatrix" je teda schopný aktivovať hlavné systémy proteolýzy krvnej plazmy, ktoré sú zodpovedné za udržiavanie hemodynamickej rovnováhy a zabezpečenie regeneračných reakcií tela. Na rozdiel od plazmy bohatej na krvné doštičky, ktorá sama o sebe nemá osteoindukčný účinok, to znamená, že nemôže iniciovať tvorbu kosti bez prítomnosti kostných buniek, materiály Biomatrix a Osteomatrix majú takúto silu.

Takže pri intramuskulárnej implantácii Biomatrix a najmä biomateriálov Osteomatrix sa vytvorí ektopické kostné tkanivo, čo priamo dokazuje osteoindukčnú aktivitu týchto materiálov [Ivanov S.Yu. a kol., 2000]. Kombinované použitie plazmy bohatej na krvné doštičky s rekombinantným kostným morfogenetickým proteínom, ktorý môže stimulovať bunky spojivového tkaniva k tvorbe kostného tkaniva, tento problém rieši, čo však vedie k výraznému zvýšeniu ceny techniky. Treba tiež poznamenať, že materiály radu Osteomatrix obsahujú prírodný kostný hydroxyapatit, ktorý je schopný afinitne akumulovať kostné morfogenetické proteíny syntetizované osteoblastmi na svojom povrchu a tým dodatočne stimulovať osteogenézu ("indukovanú osteoindukciu").

V tomto prípade úplne odpadá námietka o možnosti vzniku nádorov v dôsledku použitia rekombinantných proteínov, pretože v prípade podobného použitia materiálov Biomatrix a Osteomatrix sú v implantačnej zóne prítomné iba prírodné proteíny prírodného pôvodu. . Materiály série "Biomatrix" a "Osteomatrix" majú aj ďalšiu jedinečnú kvalitu - sú schopné afinitne viazať sulfátované glykozaminoglykány [Panasyuk A.F., Savashchuk D.A., 2007]. K tejto väzbe za podmienok podobných väzbe krvných doštičiek dochádza v krátkom časovom období a počet naviazaných sulfátovaných glykozaminoglykánov výrazne prevyšuje fyziologické parametre (tabuľka 2).

Tabuľka 2 Väzba sulfátovaných glykozaminoglykánov na kostný kolagén.

V súčasnosti je dobre známe, že kolagén aj hydroxyapatit používané oddelene majú najmä osteokonduktívne vlastnosti, to znamená, že sú schopné plniť len úlohu „uľahčujúceho“ materiálu pre tvorbu novej kosti. Tieto molekuly však môžu mať aj slabý osteoindukčný účinok na osteoblastické bunky v dôsledku niektorých ich biologických vlastností.

Tento osteoindukčný účinok je posilnený kombinovaným použitím týchto dvoch typov molekúl. Na druhej strane, ak sú v biomateriáloch spolu s kolagénom a hydroxyapatitom prítomné aj sulfátované glykozaminoglykány, potom bude takýto komplex štruktúrou bližšie k prirodzenému kostnému matrixu, a preto bude mať vo väčšej miere svoje funkčné charakteristiky. Je teda známe, že sulfátované glykozaminoglykány ovplyvňujú mnohé ukazovatele metabolizmu spojivového tkaniva.

Sú schopné znižovať aktivitu proteolytických enzýmov, potláčať synergický efekt týchto enzýmov a kyslíkových radikálov na medzibunkovú hmotu, blokovať syntézu zápalových mediátorov maskovaním antigénnych determinantov a rušiť chemotaxiu, zabraňovať apoptóze buniek indukovanej škodlivými faktormi a tiež znížiť syntézu lipidov a tým zabrániť degradačným procesom. Okrem toho sa tieto zlúčeniny priamo podieľajú na konštrukcii samotných kolagénových vlákien a extracelulárnej matrice ako celku.

V skorých štádiách poškodenia spojivového tkaniva pôsobia ako iniciátory tvorby dočasnej matrice a umožňujú zastaviť rozpad spojivového tkaniva a tvorbu hrubej jazvy a následne zabezpečiť jeho rýchlejšie nahradenie spojivové tkanivo normálne pre tento orgán [Panasyuk A.F. a kol., 2000]. Bohužiaľ, úloha sulfátovaných glykozaminoglykánov v regulácii osteogenézy nebola dostatočne študovaná, ukázalo sa však, že hlavným kandidátom na úlohu induktora ektopickej osteogenézy v modelovom systéme je proteoglykán vylučovaný bunkami epitelu močového mechúra [Fridenshtein A.Ya., Lalykina K.S., 1972].

Iní autori zdieľajú podobný názor a veria, že proteoglykány sú jedným z faktorov stromálneho mikroprostredia, ktoré reguluje hematopoézu a inú histogenézu mezenchymálnych derivátov. Okrem toho sa ukázalo, že in vitro a in vivo chondroitín sulfáty majú výrazný účinok na mineralizáciu kostí. Zistili sme teda, že keď je materiál "Osteomatrix" vystavený kultúre ľudských chondrocytov, indukujú sa ich chondrogénne vlastnosti. Vplyvom materiálu ľudské chondrocyty vytvorili v kultúre histotypické štruktúry, v ktorých dochádza pri jej osifikácii k ukladaniu fosfátov a mineralizácii kostnej matrix.

Ďalej sa zistilo, že po implantácii biomateriálov „Biomatrix“, „Allomatrix-implant“ a „Osteomatrix“ králikom vzniká mimomaternicová kosť, po ktorej nasleduje jej osídlenie kostnou dreňou. Okrem toho boli tieto materiály úspešne použité ako nosiče na transplantáciu kmeňových stromálnych progenitorových buniek [Ivanov S.Yu. a kol., 2000]. K dnešnému dňu tieto materiály získali uznanie v zubnej aj ortopedickej praxi [Ivanov S.Yu. a kol., 2000, Lekishvili M.V. a kol., 2002, Grudyanov A.I. a kol., 2003, Asnina S.A. a kol., 2004, Vasiliev M. G. a kol., 2006]. S vysokou účinnosťou sa používali pri nedokonalej osteogenéze, obnove ruky, pri chirurgickej liečbe parodontálnych ochorení a odstraňovaní defektov čeľustných kostí. Tieto biomateriály sú vďaka vyvinutej technológii ich výroby zatiaľ jedinými materiálmi na svete, ktoré si takmer úplne zachovali kolagénové a minerálne štruktúry prirodzenej kosti, no zároveň sú tieto materiály úplne zbavené antigénnosti.

Veľkou výhodou týchto biomateriálov je, že obsahujú sulfátované kostné glykozaminoglykány, afinitu spojenú s kolagénom a hydroxyapatitom, čo ich výrazne odlišuje od analógov dostupných vo svete a výrazne zvyšuje ich osteogénnu potenciu. Vyššie uvedené experimentálne a klinické údaje teda skutočne dokazujú, že na základe moderných princípov tkanivového inžinierstva boli vyvinuté a do klinickej praxe zavedené domáce biokompozitné materiály na báze kostného kolagénu, sulfátovaných glykozaminoglykánov a hydroxyapatitu. Tieto moderné, účinné a bezpečné biomateriály novej generácie otvárajú široké možnosti riešenia mnohých problémov obnovy kostného tkaniva v traumatológii a ortopédii, ako aj v mnohých iných oblastiach chirurgickej praxe.

Elektronogram (obr. 1) ukazuje, že prípravky kostného kolagénu sú sieťou usporiadaných zväzkov a vlákien. Vlákna samotné sú zároveň husto zabalené do zväzkov druhého rádu, bez prestávok a defektov. Materiál má svojim vzhľadom klasickú porézno-bunkovú štruktúru, ktorá plne zodpovedá architektonike natívnej hubovitej kosti a je bez ciev, bielkovín, mechanických a iných inklúzií. Veľkosť pórov sa pohybuje od 220 do 700 µm.

Biokompatibilitu kostného kolagénu sme hodnotili podľa štandardných testov v podmienkach ich implantácie pod kožu potkanov Wistar. Pomocou histomorfologickej analýzy a skenovacej elektrónovej mikroskopie sa zistilo, že kostný kolagén sa po jeden a pol mesačnom pobyte v tele príjemcu prakticky nezničí a zachováva si svoju štruktúru.

Obr. 1. Obr.

Ako je vidieť na obr. 2, póry, trabekuly a bunky implantovaného kostného kolagénu sú čiastočne vyplnené voľným fibróznym CT, ktorého vlákna sú slabo prispájkované k implantátu. Je jasne vidieť, že sa okolo neho vytvára nevýznamná vláknitá vrstva a v samotnom implantáte je zaznamenaná prítomnosť malého počtu bunkových prvkov, z ktorých hlavné sú fibroblasty. Je charakteristické, že implantát nie je prispájkovaný k okolitému dermálnemu tkanivu takmer po celej svojej dĺžke. Tieto výsledky jasne poukazujú na vysokú odolnosť tohto materiálu voči biodegradácii a úplnú bioinertnosť okolitého spojivového tkaniva voči nemu.

Uskutočnili sme štúdie o účinku biomateriálov "Biomatrix", "Allomatrix-implant" a "Osteomatrix" na osteoreparáciu na modeli segmentálnej osteotómie podľa všeobecne uznávaných metód (Katthagen B.D., Mittelmeeir H., 1984; Schwarz N. et.al. ., 1991). V experimente boli použité králiky plemena Činčila s hmotnosťou 1,5-2,0 kg, u ktorých bola vykonaná segmentálna osteotómia rádia v intravenóznej anestézii.

Dva mesiace po operácii bola v implantačnej zóne zaznamenaná tvorba nového kostného tkaniva. Na obr. 3 výsledok histomorfologického vyšetrenia materiálu „Allomatrix-implant“ po 2 mesiacoch. po operácii. V proximálnej zóne defektu je viditeľné dobre vyvinuté mladé kostné tkanivo. Osteoblasty susedia s kostnými lúčmi vo veľkom počte.

V intersticiálnej substancii sa v lakunách nachádzajú ostocyty.V novej kostnej substancii sa tvoria husto zbalené kolagénové vlákna. Intersticiálna látka s aktívnymi bunkami je dobre vyvinutá. Oblasť implantátu (hore a vľavo) sa aktívne prestavuje.

Vo všeobecnosti dochádza k zrýchlenému dozrievaniu kosti okolo oblasti implantátu.

Okrem toho sa ukázalo, že pórovito-bunková štruktúra kostného kolagénu poskytuje nielen udržanie objemu v defekte vďaka svojim elastickým vlastnostiam, ale aj optimálnu možnosť pre vrastanie buniek spojivového tkaniva do neho, rozvoj krvi ciev a tvorby kosti pri nahradení tohto defektu.

Odoslanie dobrej práce do databázy znalostí je jednoduché. Použite nižšie uvedený formulár

Študenti, postgraduálni študenti, mladí vedci, ktorí pri štúdiu a práci využívajú vedomostnú základňu, vám budú veľmi vďační.

Uverejnené dňa http://www.allbest.ru/

Uverejnené dňa http://www.allbest.ru/

Makeevskaya stredná škola I - III úrovne №72

na tému: Tkanivové inžinierstvo v medicíne

Dokončené:

Shujaulla Kamil

Úvod

1.1 Primárne bunky

1.2 Kmeňové bunky

3.2 3D biotlač

4. Kultivácia tkaniva

4.7 Kostná dreň

5 Pestovanie orgánov

5.1 Močový mechúr

5.2 Priedušnica

5.4 Pečeň

5.5 Srdce

5.6 Pľúca

Záver

Dodatok

Úvod

Jedným zo smerov biotechnológie, ktorá sa zaoberá tvorbou biologických náhrad tkanív a orgánov, je tkanivové inžinierstvo (TI).

Tkanivové inžinierstvo je vytváranie nových tkanív a orgánov na terapeutickú rekonštrukciu poškodeného orgánu dodávaním podporných štruktúr, buniek, molekulárnych a mechanických signálov do požadovanej oblasti na regeneráciu.

V súčasnosti sa tkanivové inžinierstvo začína využívať v klinickej praxi na liečbu degeneratívnych ochorení a malformácií; s popáleninami a poraneniami, s neskorou hydro- a ureterohydronefrózou, ako aj so zubnými a kozmetickými operáciami.

Moderný vývoj v biomedicíne a najmä v tkanivovom inžinierstve; možno použiť na zlepšenie účinnosti liečby pri obnove stratených funkčne významných tkanív.

1. Bunky pre tkanivové inžinierstvo

Najdôležitejším prvkom úspechu je dostupnosť potrebného počtu funkčne aktívnych buniek, ktoré sú schopné sa diferencovať, zachovať si vhodný fenotyp a vykonávať špecifické biologické funkcie. Zdrojom buniek môžu byť telesné tkanivá a vnútorné orgány. Je možné použiť vhodné bunky od pacienta, ktorý potrebuje rekonštrukčnú terapiu, alebo od blízkeho príbuzného (autogénne bunky). Môžu byť použité bunky rôzneho pôvodu, vrátane primárnych a kmeňových buniek.

1.1 Primárne bunky

Primárne bunky sú zrelé bunky špecifického tkaniva, ktoré je možné chirurgicky odobrať priamo z organizmu darcu (ex vivo). Ak sú primárne bunky odobraté z určitého darcovského organizmu a následne je potrebné tieto bunky do neho implantovať ako príjemcovi, potom je pravdepodobnosť odmietnutia implantovaného tkaniva vylúčená, pretože existuje maximálna možná imunologická kompatibilita primárnych buniek a príjemcom. Primárne bunky sa však spravidla nedokážu deliť - ich potenciál pre reprodukciu a rast je nízky.

Keď sa takéto bunky kultivujú in vitro (prostredníctvom tkanivového inžinierstva), pre niektoré typy buniek je možná dediferenciácia, to znamená strata špecifických individuálnych vlastností. Napríklad chondrocyty zavedené do kultúry mimo tela často produkujú skôr vláknitú než priehľadnú chrupavku.

Pretože primárne bunky nie sú schopné deliť sa a môžu stratiť svoje špecifické vlastnosti, existuje potreba alternatívnych zdrojov buniek pre vývoj technológií bunkového inžinierstva. Takouto alternatívou sa stali kmeňové bunky.

1.2 Kmeňové bunky

Kmeňové bunky sú nediferencované bunky, ktoré majú schopnosť deliť sa, sebaobnovy a diferencovať sa na rôzne typy špecializovaných buniek pod vplyvom špecifických biologických podnetov.

Kmeňové bunky sa delia na „dospelé“ a „embryonálne“

Zdrojom „dospelých“ kmeňových buniek je pupočníková krv odobratá po narodení dieťaťa. Táto krv je veľmi bohatá na kmeňové bunky. Odobratím tejto krvi z pupočnej šnúry dieťaťa a jej umiestnením do kryobanky (špeciálne úložisko) možno neskôr kmeňové bunky použiť na obnovu takmer akéhokoľvek tkaniva a orgánu tohto jedinca. Je tiež možné použiť tieto kmeňové bunky na liečbu iných pacientov za predpokladu, že sú kompatibilné s antigénom. Americkí vedci získali kmeňové bunky z ľudskej placenty (tam je ich počet 10-krát väčší ako v pupočníkovej krvi), ktoré sú schopné premeniť sa na kožné, krvné, svalové a nervové bunky.

Zdrojom iného typu kmeňových buniek, fetálnych (embryonálnych) kmeňových buniek, je abortívny materiál 9-12 týždňov tehotenstva. Tento zdroj je zďaleka najpoužívanejší. Ale okrem etických a právnych sporov môžu fetálne bunky niekedy spôsobiť odmietnutie transplantátu. Okrem toho je použitie netestovaného abortívneho materiálu plné infekcie pacienta vírusovou hepatitídou, AIDS, cytomegalovírusom atď.

Na usmernenie organizácie, udržanie rastu a diferenciácie buniek v procese rekonštrukcie poškodeného tkaniva je potrebný špeciálny bunkový nosič - matrica, čo je trojrozmerná sieť podobná špongii alebo pemze (doplnkový obr. 3) . Na ich vytvorenie sa používajú biologicky inertné syntetické materiály, materiály na báze prírodných polymérov (chitosan, alginát, kolagén) a biokompozity. Napríklad ekvivalenty kostného tkaniva sa získajú priamou diferenciáciou kmeňových buniek kostnej drene, pupočníkovej krvi alebo tukového tkaniva na osteoblasty, ktoré sa potom aplikujú na rôzne materiály podporujúce ich delenie (napríklad darcovská kosť, kolagénové matrice atď.) .

2. Etapy tvorby umelých orgánov

K dnešnému dňu je jedna zo stratégií tkanivového inžinierstva nasledovná:

1. Selekcia a kultivácia vlastného alebo darcovského bunkového materiálu.

Bunkovým materiálom môžu byť regenerované tkanivové bunky alebo kmeňové bunky.

V prvej fáze sa vyberie vlastný alebo darcovský bunkový materiál (biopsia), izolujú sa a kultivujú sa tkanivovo špecifické bunky. Zloženie tkanivového inžinierstva alebo štepu okrem bunkovej kultúry zahŕňa špeciálny nosič (matrix)

2. Vývoj špeciálneho bunkového nosiča (matrice) na báze biokompatibilných materiálov

Matrice môžu byť vyrobené z rôznych biokompatibilných materiálov. Na vytváranie matríc štepov sa používajú biologicky inertné syntetické materiály, materiály na báze prírodných polymérov (chitosan, alginát, kolagén), ako aj biokompozitné materiály. Napríklad ekvivalenty kostného tkaniva sa získajú cielenou diferenciáciou kmeňových buniek kostnej drene, pupočníkovej krvi alebo tukového tkaniva. Bunky výslednej kultúry sa aplikujú na matricu. inžiniersky rast tkanivových orgánov

3. Aplikácia bunkovej kultúry na matricu a množenie buniek v bioreaktore so špeciálnymi kultivačnými podmienkami

Kde sa kultúra určitý čas inkubuje. Boli vytvorené prvé bioreaktory na výrobu umelého pečeňového tkaniva.

4. Priame zavedenie štepu do oblasti postihnutého orgánu alebo predbežné umiestnenie do oblasti dobre zásobenej krvou na dozrievanie a tvorbu mikrocirkulácie vo vnútri štepu (prefabrikácia)

Biomateriály používané na získanie matríc musia byť biologicky inertné a po naštepení (prenesení do tela) zabezpečiť lokalizáciu na nich uloženého bunkového materiálu na určitom mieste. Väčšina biomateriálov tkanivového inžinierstva je ľahko zničená (resorbovaná) v tele a nahradená vlastnými tkanivami. V tomto prípade by nemali vznikať žiadne medziprodukty, ktoré sú toxické, menia pH tkaniva alebo zhoršujú rast a diferenciáciu bunkovej kultúry. Neresorbovateľné materiály sa takmer vôbec nepoužívajú, pretože obmedzujú regeneračnú aktivitu, spôsobujú nadmernú tvorbu spojivového tkaniva, vyvolávajú reakciu na cudzie teleso (opuzdrenie)

Ekvivalenty živej kože obsahujúce darcovské alebo vlastné kožné bunky sú v súčasnosti široko používané v USA, Rusku a Taliansku. Tieto konštrukcie zlepšujú hojenie rozsiahlych popálenín. Vývoj štepov sa realizuje aj v kardiológii (umelé srdcové chlopne, rekonštrukcia veľkých ciev a kapilárnych sietí); obnoviť dýchacie orgány (hrtan, priedušnica a priedušky), tenké črevo, pečeň, orgány močového systému, endokrinné žľazy a neuróny. Kovové nanočastice v tkanivovom inžinierstve sa používajú na riadenie rastu buniek ich vystavením magnetickým poliam rôznych smerov. Napríklad týmto spôsobom bolo možné vytvoriť nielen analógy pečeňových štruktúr, ale aj také zložité štruktúry, ako sú prvky sietnice. Taktiež nanokompozitné materiály vytvorené metódou elektrónovej lúčovej litografie (elektrónová lúčová litografia, EBL) poskytujú nanometrovú drsnosť povrchu matríc pre efektívnu tvorbu kostných implantátov. Vytvorenie umelých tkanív a orgánov umožní odmietnuť transplantáciu väčšiny darcovských orgánov, zlepší kvalitu života a prežitie pacientov.

3. Základné metódy tkanivového inžinierstva

3.1 Simulácia prirodzenej organogenézy

Organogenéza - proces tvorby orgánov počas embryonálneho vývoja

Organogenéza je sprevádzaná diferenciáciou buniek, tkanív, selektívnym a nerovnomerným rastom jednotlivých orgánov a častí tela, pokračuje v larve a končí v juvenilnom období.

3.2 3D biotlač

Sľubné technológie tkanivového inžinierstva otvorili možnosť laboratórnej tvorby živých tkanív a orgánov, no veda je pred vytvorením zložitých orgánov stále bezmocná. Pomerne nedávno však vedci pod vedením doktora Guntera Tovara z Fraunhofer Society v Nemecku urobili obrovský prelom v oblasti tkanivového inžinierstva – vyvinuli technológiu na vytváranie krvných ciev. Zdalo sa však, že nie je možné umelo vytvoriť kapilárne štruktúry, pretože musia byť pružné, elastické, malého tvaru a zároveň interagovať s prírodnými tkanivami. Napodiv, ale na záchranu prišli výrobné technológie - metóda rýchleho prototypovania (inými slovami, 3D tlač). Rozumie sa, že zložitý trojrozmerný model (v našom prípade krvná cieva) sa vytlačí na trojrozmernej atramentovej tlačiarni pomocou špeciálneho "atramentu". Tlačiareň nanáša materiál vo vrstvách a na určitých miestach sú vrstvy chemicky spojené. Poznamenávame však, že pre najmenšie kapiláry nie sú trojrozmerné tlačiarne ešte dostatočne presné. V tomto ohľade bola použitá metóda multifotónovej polymerizácie používaná v priemysle polymérov. Krátke intenzívne laserové impulzy, ktoré spracovávajú materiál, vzrušujú molekuly tak silno, že na seba vzájomne pôsobia a spájajú sa do dlhých reťazcov. Materiál teda polymerizuje a stáva sa tvrdým, ale elastickým, ako prírodné materiály. Tieto reakcie sú natoľko kontrolovateľné, že sa pomocou nich dajú vytvárať tie najmenšie štruktúry podľa trojrozmerného „nákresu“.

A aby sa vytvorené cievy mohli spojiť s bunkami tela, pri výrobe ciev sa do nich integrujú modifikované biologické štruktúry (napríklad heparín) a „kotvové“ proteíny. V ďalšom štádiu sú endotelové bunky (jednovrstvové ploché bunky lemujúce vnútorný povrch ciev) fixované v systéme vytvorených „tubulov“, takže zložky krvi sa nelepia na steny cievneho systému, ale sú voľne prepravované po ňom. Potrvá však nejaký čas, kým sa skutočne podarí implantovať orgány vypestované v laboratóriu s vlastnými cievami.

Pestovanie orgánov na darcovskej alebo xenologickej matrici, pestovanie orgánov na umelej matrici pozri str.3

4. Kultivácia tkaniva

Kultivácia jednoduchých pletív je už existujúcou a v praxi využívanou technológiou.

Obnova poškodených oblastí kože je už súčasťou klinickej praxe. V niektorých prípadoch sa používajú metódy na regeneráciu pokožky samotnej osoby, napríklad obete popálenia, pomocou špeciálnych efektov. Tú vyvinul napríklad R.R. Rakhmatullin bioplastický materiál hyamatrix, alebo biocol, vyvinutý tímom pod vedením B.K. Gavrilyuk. Špeciálne hydrogély sa používajú aj na rast kože v mieste popálenia.

Vyvíjajú sa aj metódy tlače fragmentov kožného tkaniva pomocou špeciálnych tlačiarní. Takéto technológie vytvárajú napríklad vývojári z amerických centier regeneratívnej medicíny AFIRM a WFIRM.

Doktor Jorg Gerlach a kolegovia z Inštitútu regeneratívnej medicíny na Pittsburgskej univerzite vynašli zariadenie na štepenie kože, ktoré pomôže ľuďom rýchlejšie sa vyliečiť z popálenín rôznej závažnosti. Skin Gun nastrieka roztok s vlastnými kmeňovými bunkami na poškodenú pokožku obete. V súčasnosti je nová metóda liečby v experimentálnom štádiu, ale výsledky sú už teraz pôsobivé: ťažké popáleniny sa hoja len za pár dní.

Skupina zamestnancov Kolumbijskej univerzity pod vedením Gordany Vunjak-Novakovic (Gordana Vunjak-Novakovic) získala z kmeňových buniek nasadených na ráme, fragment kosti podobný časti temporomandibulárneho kĺbu.Vedci z izraelskej spoločnosti Bonus Biogroup (zakladateľ a výkonný riaditeľ - Pai Meretsky, Shai Meretzki vyvinuli metódy rastu ľudskej kosti z tukového tkaniva pacienta získaného liposukciou. Takto vypestovaná kosť už bola úspešne transplantovaná do labky potkana.

Talianskym vedcom z univerzity v Udine sa podarilo preukázať, že populáciu mezenchymálnych kmeňových buniek získaných in vitro z jedinej bunky tukového tkaniva, dokonca aj bez špecifickej štruktúrnej matrice alebo substrátu, možno diferencovať na štruktúru pripomínajúcu zárodok zuba.

Na Tokijskej univerzite vedci vypestovali plnohodnotné zuby z myších kmeňových buniek obsahujúcich zubné kosti a spojivové vlákna a úspešne ich transplantovali do čeľustí zvierat.

Špecialistom z Columbia University Medical Center (Columbia University Medical Center) na čele s Jeremym Maom (Jeremy Mao) sa podarilo obnoviť kĺbovú chrupavku králikov.

Najprv vedci odobrali zo zvierat chrupavkové tkanivo ramenného kĺbu, ako aj spodnú vrstvu kostného tkaniva. Potom sa namiesto odstránených tkanív umiestnili kolagénové lešenia.

U tých zvierat, u ktorých kostry obsahovali transformujúci rastový faktor, proteín, ktorý riadi bunkovú diferenciáciu a rast, kostné a chrupavkové tkanivo na ramennej kosti sa znovu vytvorilo a pohyb v kĺbe sa úplne obnovil.

Skupina amerických vedcov z University of Texasat Austin pokročila vo vytváraní chrupavkového tkaniva s mechanickými vlastnosťami a zložením extracelulárnej matrice, ktoré sa menia v rôznych oblastiach.

V roku 1997 sa chirurgovi Jayovi Vscantimu z Massachusetts General Hospital v Bostone podarilo vypestovať ľudské ucho na chrbte myši pomocou buniek chrupavky.

Lekári z Univerzity Johnsa Hopkinsa odobrali nádorom postihnuté ucho a časť lebečnej kosti 42-ročnej žene s rakovinou. Pacientke pomocou chrupaviek z hrudníka, kože a ciev z iných častí tela vypestovali umelé ucho na ruke a následne transplantovali na správne miesto.

Výskumníci z Worcesterského polytechnického inštitútu (USA) úspešne opravili veľkú ranu vo svalovom tkanive u myší pestovaním a implantáciou mikrofilamentov pozostávajúcich z proteínového polyméru fibrínu potiahnutého vrstvou ľudských svalových buniek.

Izraelskí vedci z Technion-Israel Institute of Technology skúmajú potrebný stupeň vaskularizácie a organizácie tkaniva in vitro na zlepšenie prežitia a integrácie tkanivového inžinierstva vaskularizovaného svalového implantátu v tele príjemcu.

Vedci z parížskej Univerzity Pierra a Marie Curieovcov pod vedením Luca Douayho po prvý raz na svete úspešne otestovali umelú krv vypestovanú z kmeňových buniek na ľudských dobrovoľníkoch.

Každý z účastníkov experimentu dostal 10 miliárd červených krviniek, čo zodpovedá asi dvom mililitrom krvi. Miera prežitia výsledných buniek bola porovnateľná s mierou prežitia konvenčných erytrocytov.

4.7 Kostná dreň

Umelá kostná dreň navrhnutá na in vitro produkciu krviniek bola prvýkrát úspešne vytvorená výskumníkmi z Laboratória chemického inžinierstva Michiganskej univerzity pod vedením Nicholasa Kotova. S jeho pomocou je už možné získať krvotvorné kmeňové bunky a B-lymfocyty – bunky imunitného systému, ktoré produkujú protilátky.

5. Rastúce zložité orgány

5.1 Močový mechúr

Dr. Anthony Atala a jeho kolegovia z Wake Forest University v USA pestujú močové mechúre z vlastných buniek pacientov a transplantujú ich pacientom.

Vybrali niekoľko pacientov a odobrali im biopsiu močového mechúra – vzorky svalových vlákien a urotelových buniek. Tieto bunky sa množili sedem až osem týždňov v Petriho miskách na základni v tvare bubliny. Potom sa takto vypestované orgány všívali do tiel pacientov.

Sledovanie pacientov počas niekoľkých rokov ukázalo, že orgány fungujú dobre, bez negatívnych účinkov staršej liečby.

V skutočnosti je to prvýkrát, čo bol in vitro umelo vypestovaný dostatočne zložitý orgán a nie jednoduché tkanivá, ako je koža a kosti, a transplantovaný do ľudského tela. Tento tím tiež vyvíja metódy na pestovanie iných tkanív a orgánov.

5.2 Priedušnica

Španielski chirurgovia vykonali ako prvú na svete transplantáciu priedušnice vypestovanej z kmeňových buniek pacientky, 30-ročnej Claudie Castillo.

Orgán bol pestovaný na univerzite v Bristole pomocou darcovského lešenia kolagénových vlákien.

Operáciu vykonal profesor Paolo Macchiarini z Hospital Clinic de Barcelona.

Profesor Macchiarini aktívne spolupracuje s ruskými výskumníkmi, čo umožnilo vykonať prvé operácie na transplantáciu pestovanej priedušnice v Rusku.

Advanced Cell Technology oznámila v roku 2002, že úspešne vypestovali kompletnú obličku z jedinej bunky odobranej z kravského ucha pomocou technológie klonovania na získanie kmeňových buniek.

Pomocou špeciálnej látky sa kmeňové bunky zmenili na obličkové bunky.

Tkanivo bolo pestované na lešení vyrobenom zo samodeštrukčného materiálu vytvoreného na Harvard Medical School a tvarovaného ako obyčajná oblička. Výsledné obličky, dlhé asi 5 cm, sa implantovali krave vedľa hlavných orgánov.

V dôsledku toho umelá oblička úspešne začala produkovať moč.

5.4 Pečeň

Americkí odborníci z Massachusetts General Hospital (Massachusetts General Hospital) pod vedením Korkuta Yuguna (Korkut Uygun) úspešne transplantovali niekoľkým potkanom pečeň vypestovanú v laboratóriu z ich vlastných buniek.

Vedci odobrali pečeň z piatich laboratórnych potkanov, očistili ich od hostiteľských buniek, čím získali spojivové tkanivové lešenia orgánov.

Vedci potom injikovali približne 50 miliónov pečeňových buniek príjemcov potkanov do každého z piatich lešení. Do dvoch týždňov sa na každom z bunkami osídlených skeletov vytvorila plne funkčná pečeň.

Orgány vypestované v laboratóriu sa potom úspešne transplantovali piatim potkanom.

5.5 Srdce

Vedcom z britskej nemocnice Heafield pod vedením Megdi Yakub po prvý raz v histórii narástla časť srdca, pričom ako „stavebný materiál“ použili kmeňové bunky. Lekári vypestovali tkanivo, ktoré funguje presne ako srdcové chlopne zodpovedné za prietok krvi v ľudskom tele. Vedci z University of Rostock (Nemecko) použili technológiu tlače buniek pomocou laserom indukovaného prenosu buniek dopredu (LIFT) na vytvorenie „náplasti“ určenej na regeneráciu srdca.

5.6 Pľúca

Americkí vedci z Yale University (Yale University) pod vedením Laury Niklason (Laura Niklason) rástli v laboratórnych pľúcach (na extracelulárnej matrici darcu). Matrica bola vyplnená bunkami pľúcneho epitelu a vnútornou výstelkou krvných ciev odobratých od iných jedincov. Prostredníctvom kultivácie v bioreaktore sa vedcom podarilo vypestovať nové pľúca, ktoré následne transplantovali niekoľkým potkanom. Orgán fungoval normálne u rôznych jedincov od 45 minút do dvoch hodín po transplantácii. Potom sa však v cievach pľúc začali vytvárať krvné zrazeniny. Vedci navyše zaznamenali únik malého množstva krvi do lúmenu orgánu. Vedci však po prvýkrát dokázali preukázať potenciál regeneratívnej medicíny na transplantáciu pľúc.

Záver

Bunkové (tkanivové) inžinierstvo je odvetvie biotechnológie, ktoré využíva metódy na izoláciu buniek z tela, ich transformáciu a pestovanie na živných médiách.

Jednou z oblastí bunkového inžinierstva je využitie kmeňových buniek na obnovu poškodených tkanív a orgánov. V laboratórnych podmienkach je možná reprodukcia a ďalšia špecializácia kmeňových buniek. Otvárajú sa tak perspektívy pre umelú kultiváciu tkanív a niektorých orgánov ľudí a zvierat za účelom ich následného zavedenia do organizmov.

Ďalšou oblasťou bunkového inžinierstva je klonovanie organizmov. Klon (z gréc. Klon – vetva, potomstvo) je súbor buniek alebo jedincov získaných od spoločného predka nepohlavne; klon pozostáva z geneticky homogénnych buniek alebo organizmov. V rastlinách je prirodzené klonovanie rozšírené vďaka nepohlavnému, najmä vegetatívnemu rozmnožovaniu. Vedci získavajú aj umelé klony rastlín.

Dodatok

Hostené na Allbest.ru

Podobné dokumenty

Genetické inžinierstvo: história výskytu, všeobecná charakteristika, výhody a nevýhody. Oboznámenie sa s najnovšími metódami genetického inžinierstva, ich využitím v medicíne. Rozvoj genetického inžinierstva v oblasti chovu zvierat a hydiny. Pokusy na potkanoch.

semestrálna práca, pridaná 7.11.2012


Vznik biotechnológie. Hlavné smery biotechnológie. Bioenergia ako odvetvie biotechnológie. Praktické úspechy biotechnológie. História genetického inžinierstva. Ciele, metódy a enzýmy genetického inžinierstva. Úspechy v genetickom inžinierstve.

abstrakt, pridaný 23.07.2008


Využitie genetického inžinierstva ako biotechnologického nástroja na kontrolu dedičnosti živých organizmov. Vlastnosti hlavných metód a úspechov genetického inžinierstva v medicíne a poľnohospodárstve, súvisiace nebezpečenstvá a vyhliadky.

správa, pridaná 5.10.2011


Metódy kultivácie ľudských a zvieracích somatických buniek na umelých živných médiách ako predpoklad pre rozvoj bunkového inžinierstva. Etapy somatickej hybridizácie. Prenos genetického materiálu. Pôvod transgénnych rastlín.

abstrakt, pridaný 23.01.2010


Pojem a základné metódy genetického inžinierstva. Spôsob extrakcie DNA na príklade DNA plazmidov. Princípy fungovania reštrikčne-modifikačného systému. Prenos a detekcia klonovaných génov v bunkách. Konštrukcia a zavedenie molekúl rekombinantnej DNA do buniek.

abstrakt, pridaný 23.01.2010


Podstata genetického a bunkového inžinierstva. Hlavné úlohy genetickej modifikácie rastlín, rozbor škodlivosti ich použitia v potravinách. Vlastnosti hybridizácie rastlinných a živočíšnych buniek. Mechanizmus získavania liečivých látok pomocou genetického inžinierstva.

prezentácia, pridané 26.01.2014


Transplantácia génov a častí DNA jedného druhu do buniek iného organizmu. História genetického inžinierstva. Postoj ku geneticky modifikovaným organizmom vo svete. Nové GM odrody. Čo prináša genetické inžinierstvo ľudstvu? Aké sú vyhliadky genetického inžinierstva.

prezentácia, pridané 24.02.2015


História, ciele a základy genetického inžinierstva; bioetické aspekty. Skupiny genetických chorôb, ich diagnostika a liečba. Aplikácia genetického inžinierstva v lekárskej praxi: génové vakcíny, génová terapia, výroba liečiv.

abstrakt, pridaný 26.10.2011


Využitie buniek, ktoré v prírode neexistovali, v biotechnologických procesoch. Izolácia génov z buniek, manipulácia s nimi, zavádzanie do iných organizmov sú jadrom úloh genetického inžinierstva. História genetického inžinierstva. Problémy produktov s GMO.

prezentácia, pridané 21.02.2014


Predpoklady pre vznik genetiky. Základy teórie mutácií. Genetika ako veda o dedičnosti: jej počiatočné zákony a vývoj. Genetické inžinierstvo: aspekty výskumu a praktické výsledky. Klonovanie orgánov a tkanív.

Definícia Jedna z oblastí biotechnológie, ktorá sa podieľa na vytváraní biologických náhrad tkanív a orgánov. Popis Tvorba biologických tkanivových náhrad (štepu) zahŕňa niekoľko etáp: 1) výber a kultiváciu vlastného alebo darcovského bunkového materiálu; 2) vývoj špeciálneho nosiča pre bunky (matrix) na báze biokompatibilných materiálov; 3) nanesenie bunkovej kultúry na matricu a množenie buniek v bioreaktore so špeciálnymi kultivačnými podmienkami; 4) priame zavedenie štepu do oblasti postihnutého orgánu alebo predbežné umiestnenie do oblasti dobre zásobenej krvou na dozrievanie a tvorbu mikrocirkulácie vo vnútri štepu (prefabrikácia). Bunkovým materiálom môžu byť regenerované tkanivové bunky alebo kmeňové bunky. Na vytváranie matríc štepov sa používajú biologicky inertné syntetické materiály, materiály na báze prírodných polymérov (chitosan, alginát, kolagén), ako aj biokompozitné materiály. Napríklad ekvivalenty kostného tkaniva sa získajú riadenou diferenciáciou kmeňových buniek z kostnej drene, pupočníkovej krvi alebo tukového tkaniva. Vzniknuté osteoblasty sa potom aplikujú na rôzne materiály, ktoré podporujú ich delenie – darcovská kosť, kolagénové matrice, porézny hydroxyapatit a pod. Tieto konštrukcie zlepšujú hojenie rozsiahlych popálenín. Vývoj štepov sa realizuje aj v kardiológii (umelé srdcové chlopne, rekonštrukcia veľkých ciev a kapilárnych sietí); obnoviť dýchacie orgány (hrtan, priedušnica a priedušky), tenké črevo, pečeň, orgány močového systému, endokrinné žľazy a neuróny. Použitie kmeňových buniek je široko používané v oblasti tkanivového inžinierstva, má však etické (embryonálne kmeňové bunky) aj genetické obmedzenia (v niektorých prípadoch dochádza k malígnemu deleniu kmeňových buniek). Nedávne štúdie ukázali, že pomocou manipulácií genetického inžinierstva je možné z kožných fibroblastov získať takzvané pluripotentné kmeňové bunky (iPSc), ktoré sú svojimi vlastnosťami a potenciálom podobné embryonálnym kmeňovým bunkám. Kovové nanočastice v tkanivovom inžinierstve sa používajú na riadenie rastu buniek ich vystavením magnetickým poliam rôznych smerov. Napríklad týmto spôsobom bolo možné vytvoriť nielen analógy pečeňových štruktúr, ale aj také zložité štruktúry, ako sú prvky sietnice. Nanokompozitné materiály tiež poskytujú povrchovú drsnosť matríc v nanometroch pre efektívnu tvorbu kostných implantátov pomocou metódy elektrónovej lúčovej litografie (EBL). Vytvorenie umelých tkanív a orgánov umožní odmietnuť transplantáciu väčšiny darcovských orgánov, zlepší kvalitu života a prežitie pacientov. Autori

• Boris Naroditsky, doktor biologických vied
• Nesterenko Ľudmila Nikolajevna, Ph.D.

1. Nanotechnológie v tkanivovom inžinierstve / Nanometer. – URL: http://www.nanometer.ru/2007/10/16/tkanevaa_inzheneria_4860.html (prístup 10/12/2009)
2. Kmeňová bunka / Wikipedia - bezplatná encyklopédia. URL: ttp://ru.wikipedia.org/wiki/Stem Cells (Prístup 10/12/2009)

Encyklopedický slovník nanotechnológie. - Rusnano. 2010 .

Pozrite sa, čo je „tkanivové inžinierstvo“ v iných slovníkoch:

tkanivové inžinierstvo- Metódy kontroly telesných buniek za účelom tvorby nových tkanív alebo expresie biologicky aktívnych látok Témy biotechnológie EN tkanivové inžinierstvo … Technická príručka prekladateľa

Termín bioinžinierstvo Anglický termín bioinžinierstvo Synonymá biomedicínske inžinierstvo Skratky Súvisiace pojmy biodegradovateľné polyméry, biomedicínske mikroelektromechanické systémy, biomimetiká, biomimetické nanomateriály,… …

Termín biomimetické nanomateriály Anglický termín biomimetické nanomateriály Synonymá biomimetika, biomimetika Skratky Združené termíny proteíny, biodegradovateľné polyméry, bioinžinierstvo, biomimetika, biokompatibilita, biokompatibilita… … Encyklopedický slovník nanotechnológie

Vadim Sergeevich Repin Dátum narodenia: 31. júl 1936 (1936 07 31) (76 rokov) Miesto narodenia: ZSSR Krajina ... Wikipedia

- (latinsky placenta, „koláč“) embryonálny orgán u všetkých samíc placentárnych cicavcov, niektorých vačnatcov, kladivohlavých rýb a iných živorodých chrupavčitých rýb, ako aj živorodých onychoforov a mnohých ďalších skupín zvierat, čo umožňuje ... ... Wikipedia

Obsahuje niektoré z najvýznamnejších aktuálnych udalostí, úspechov a inovácií v rôznych oblastiach moderných technológií. Nové technológie sú tie technické inovácie, ktoré predstavujú progresívne zmeny v oblasti ... ... Wikipedia

Články amfifilné biodegradovateľné polyméry biologická membrána biologické motory biologické nano objekty Encyklopedický slovník nanotechnológie

Články"dvojstranné" časticeaktuátorbaktériochlorofylbiologické motorybiologické nanoobjektybiomimetikábiomimetické nanomateriálybiosenzorybiokompatibilitadvojvrstvovévektory založené na nanomateriálochvodíková väzba … Encyklopedický slovník nanotechnológie

Články"mäkká" chémiabiologická membránabiomimetikumbiomimetické nanomateriálybiózasorbiokompatibilné povlakydvojvrstvygenetické inžinierstvohybridné materiályDNADNA mikročipgén dodáva capp … Encyklopedický slovník nanotechnológie

Toto je servisný zoznam článkov vytvorených na koordináciu vývoja témy. Toto varovanie netrvá... Wikipedia

knihy

• Tkanivové inžinierstvo, kreatívny tím Breathe Deep show. Zásadne nový prístup – bunkové a tkanivové inžinierstvo – je najnovším úspechom v oblasti molekulárnej a bunkovej biológie. Tento prístup otvoril široké vyhliadky na vytvorenie ... audioknihy