ENGINEERING ОРГАНАХ HEART и пищевода
Потенциал для тканевой инженерии для преобразования медицинской практики огромен. Инженеры-химики будут играть важную роль в этой революции.
Концептуальные идеи, лежащие в основе тканевой инженерии развивались в 1970-х и были сформированы в более современную форму в конце 1980 и начале 1990-х годов (1). Литература по этому вопросу весьма обширна, и включает в себя множество общих обзоров (2-4). Тканевая инженерия получил хорошее финансирование научных исследований, внимание исследователей, возбужденных по интеллектуальной границ, а также большой интерес средств массовой информации. Клинические успехи были достигнуты (5), и людей в настоящее время оснащены лаборатории выращенных органов и тканей замены. Новые компании предпринимательство изучает эту границу.
Возможности для инженеров-химиков, чтобы способствовать этому растущее предприятие, очень много. В этой статье рассматривается, как мы могли бы создать два мышечных тканей - сердце и пищеводе. В нем также рассматриваются вопросы, относящиеся к области тканевой инженерии в целом, а также конкретный вклад, который инженеры-химики могут внести в этой новой границы.
Мое собственное определение тканевой инженерии является кратким, но она выражает суть начинании: "Тканевая инженерия подвиги идей и методов в биологии, медицины, материаловедения и инженерных расти живых тканей и органов для ремонта или замены поврежденного и перемещенных облегчили тканей и органов ".
Национальные институты здравоохранения (NIH) сайт сообщает, что США тратят $ 400 млрд в год при потере тканей или конечной стадии полиорганной недостаточностью. Синтетические материалы, которые выходят в медицинских приборов ($ 150 миллиардов промышленности) делать спасти жизни и улучшить качество жизни для миллионов людей. Тем не менее, медицинские приборы редко работы, а также здоровый, естественный части тела и связаны с многочисленными осложнениями. Для переключения из дефектного органа или ткани для жизни, функционирования замена сущность революции тканевой инженерии, что идет в медицину.
Наряду с органов и тканей, ремонт, много других интересных результатов может вытекать из зрелых стремиться тканевой инженерии, таких как:
* Тканей и органов на ремонт и замену
* Косметические повышения / изменения
* Жизнь устройства для лечения заболеваний почек и печени и болезнь Паркинсона
* Производства продуктов питания (мышечная ткань)
* Биосенсоры (живых тканей для зондирования)
* Имплантируемых устройств с наркотиками доставку, исходя из живой ткани
* Производства биологических молекул живых тканей
* Исследования человеческих болезней и патологий
* Наркотиков токсикологии тестирования
* Основные исследования по формированию ткани и биологического развития.
Решение основных вопросов
Перед предприятия тканевой инженерии можно воплотить эти возможности в реальность на благо людей и способствовать экономическому значению, мы должны вступить в борьбу с некоторыми глубокие вопросы.
Ангиогенез / иннервации. Ангиогенеза является формирование новых кровеносных сосудов, которые обеспечивают кислородом и питательными веществами для ткани и удаления отходов. Иннервация является врастания нервных тканей электрические подключения новых тканей или органов для тела. Ангиогенеза и иннервации, как представляется, биологически связаны между собой и новые побеги нерва последующей рост новых капиллярной крови размерности судов.
С точки зрения массового транспорта, в камере должна быть в пределах примерно 300 мкм капиллярного для того, чтобы его представить достаточное количество кислорода и питательных веществ. Некоторые ткани, такие как сердце, обладают исключительно высокой потребности в кислороде и потребует еще ближе кровеносных сосудов. Другие ткани, такие как хрящи, имеют очень низкую потребность в кислороде.
Многочисленные подходы к усилению ангиогенеза появились в литературе, и некоторые из них будут обсуждаться здесь. Такие понятия, как синтетические сети кровеносных сосудов нести кислород для развивающихся тканей, также были предложены.
Воспаление / исцеления. Воспаление определяется в медицинских учебниках, как нормальный процесс повреждения ремонт в васкуляризированной ткани. После травмы (например, имплантации биоматериала), макрофаги, вербуются для повреждения сайт, где они уничтожить или поглотить посторонних веществ (в том числе бактерии) и освобождение цитокинов, что приводит другие типы клеток к ране для осуществления ремонта.
Ремонт процесс, который зависит от многих факторов, может быть регенеративных или может привести к образованию рубцов (фиброз). Если регенеративных исцеление можно поощрять и фиброзно исцеления сведено к минимуму, это будет позитивный вклад в возобновление роста и интеграции инженерных тканей.
В последнее время макрофагов фенотипов было выявлено, что может сделать точный контроль заживления и регенерации. Фенотип М связан с phagocytitic и фиброзно результатов, а M2 фенотипа должно прогнозировать ангиогенеза и регенерации (6).
Хирургическое интеграции. Ткань-инженерных конструкций, как правило, начало в биореакторе в пробирке. После определенного периода времени для роста клеток и, возможно, с механической кондиционирования, они должны быть удалены из биореактора и хирургическим размещены в естественных условиях. Это очень важный период для инженерных тканей или органов, в том, что кровеносные сосуды и нервы должны быстро проникнуть на имплантат, а конструкция должна быть механически закреплены и расположены в значимых анатомическое расположение.
Биомеханика. Некоторые ткани, такие как хрящи, которые относительно легко расти. Тем не менее, лабораторного выращенных хрящ не имеет превосходные сжимающие свойства суставного хряща.
Цель должна заключаться в создании новых тканей с механическими свойствами, которые должны четко соответствовать части они заменяют. В крови тканевой инженерии судна, было показано, что разоблачение развивающихся кровеносных сосудов на ударные напряжения в реакторе значительно улучшилась ворвались силы - сопоставимо с анатомически нормальный артерий (7). Этот процесс разоблачения развивающихся тканей циклических механических нагрузок часто называют кондиционирования.
Сотовый источников. Потенциальные источники ячейки включать собственные клетки (взято из пациентов, которые будут получать инженерных ткани или органа), аллогенных клеток (на основе клеток, полученных из одного или нескольких людей и широко используется в человеческой популяции), ксеногенной (получены от животных, и используются в человека), взрослые стволовые клетки (или аутологичных и аллогенных), а также человеческих эмбриональных стволовых клеток (аллогенной источника).
Аутологичных клеток, как правило интегрироваться в лицо пожертвовано этих клеток. Однако, "вне theshelf запасные части не из практических аутологичных клеток, а также полезность этих клеток связано, как долго пациент может дождаться новых тканей или органов, полученных от своих собственных клеток. Аллогенных и ксеногенных клеток может вызвать иммунологических реакций, хотя в некоторых клеточных линиях, таких как фибробласты, по-видимому минимально иммуногенностью. Взрослые стволовые клетки имеют значительный потенциал, но в этот раз они не могут быть дифференцированы на все типы клеток. Эмбриональные стволовые клетки могут делать все ткани и органы (один раз мы учимся использовать их), но Есть потенциальные проблемы, иммунологических, а также политические и этические проблемы.
Производство и биореакторы. Новой области тканей и органов производство развивается в настоящее время. Развитие биореакторов для производства инженерных тканей деятельности, где инженеры-химики могут внести значительный вклад. Проблемы включают необходимость крайней стерильной среде, проблемы общественного транспорта, сложные механические конструкции (где механически кондиционирования ткани важно), а также правовые вопросы.
Рынок реалии и бизнес-моделей. Когда два известных, компаний-пионеров ткани инженерно-обанкротились несколько лет назад, некоторые выразили озабоченность по поводу будущего этой области. Тем не менее, продукты, разработанные как из этих компаний вернулись на рынок. Кроме того, многие новые компании-технических тканей было начато, а некоторые из них получают значительные финансовые средства.
Два бизнес-модели доминируют на местах:
* Производство ткани-инженерных продуктов, заморозить их и продавать его как часть готовый
* Сделать биопсию клеток пациента, направить их в центральный объект, вырастить их в ткани или органа, а также прибыли, ткани инженерных построить к врачу для имплантации в пациента.
Только тогда, когда эти соображения серьезно рассмотреть и проблемы, встретились, будет тканевой инженерии быть на быстрый путь к ремонту людей и захвата, что $ 400 миллиардов рынке.
Ремонт поврежденного сердца
Остановка сердца и сердечно-сосудистые заболевания являются основной убийц в США и в большинстве развитых стран мира. В США почти полмиллиона человек ежегодно умирают от ишемической болезни сердца.
Острый инфаркт миокарда (ОИМ) приводит к повреждению части сердечной мышцы. Сердце, по сути, способность исцелять этого ущерба. Потерпевшего лечит сайт как рубцовая ткань, сердце тонких стен, функциональность сердца серьезно повреждены, и застойная сердечная недостаточность часто развивается - что приведет к устойчивым вниз спираль для пациента. Если бы мы могли заменить, отремонтировать или вырастить поврежденного участка сердечной мышцы, это устойчивый прогресс в застойной сердечной недостаточности могут быть предотвращены.
Есть четыре главных проблем для замены или ремонта сердечной мышцы пострадавших от AMI. Потому что преобладающим ячейки мышцы сердца, кардиомиоцитов, практически не пролиферативных возможностей, мы должны генерировать достаточное количество этих клеток для восстановления сердца. Для удовлетворения высоких обычно потребность в кислороде кардиомиоцитов, мы должны быстро принести кислород этой растущей ткани. У сердца есть элегантные электрические взаимосвязи, которые должны быть восстановлены для истинных ремонт, имели место. В заключение, сердечной мышцы состоит из механически жесткой, выравнивание ячейки единиц, которые должны быть обобщены в ткани инженерных сердце.
Для решения этих задач, биоинженерных тканей аллогенной (пауза) программы в Univ. Вашингтон, финансируемых NTH биоинженерии исследований партнерства (BRP) грант, приняла системный подход к инженер сердечной мышцы. Скоординированная, междисциплинарных групп работают над общей целью разработки имплантируемых замены сердца, мышц. Рисунок 1 показывает, как выход из различных команд, объединяясь, сердечной мышцы.
Рисунок 2 иллюстрирует некоторые сложности сердечной мышцы. Она предлагает: соответствие cardiomyocte клеток, которые механически и электрически соединенные между собой структуры называют внедренного дисков, кровеносных сосудов в одной из ячеек в каждой камере, а также жесткие внеклеточного матрикса. Это сложная структура должны быть воспроизведены в ткани-инженерных продуктов.
Еще один вид сердечной мышцы представлена в цветного сканирования электронной микрофотографии на рисунке 3. Это показывает, в режиме реального образца сердечной мышцы, необходимо тесное присоединение между кровеносные сосуды (оранжевый) и клеток сердечной мышцы, и клетки Пуркинье (зеленый), которые отвечают за электропроводности и связи в сердечной мышце.
Пространство ограничения исключает обсуждение всех технологий с 8 BEAT исследовательских групп в настоящее время работает для имитации биологической структуры на рисунках 2 и 3. Тем не менее, ряд ключевых технологий будет выделен.
Пористой, полимерные лесов выступили шаблонов процесс используется для ориентации кардиомиоцитов клеток в параллельных пучков, а также для повышения ангиогенез вокруг имплантата семенами с клетками. Это ангиогенных повышения на основе наблюдений в области биоматериалов начиная с 1960-х годов отчетности, что некоторые имплантированных пористых материалов привело к повышению образования кровеносных сосудов в непосредственной близости от материала. Тело литературе, что последующие меры в отношении ранних наблюдений васкуляризации поддерживает концепцию, что определенные размеры пор были про-ангиогенных (8, 9). Проблема заключается в том, что все имплантаты в этих исследованиях, имели широкий диапазон размеров пор. Если мелкие и крупные поры антиангиогенная, а некоторые среднего размера поры повышения образования кровеносных сосудов, влияние малых и больших порах можно было бы работает против желаемого ангиогенеза индуцированных правильный размер поры.
Мы задались целью сделать пористые, взаимосвязанных структур со всеми порами одного размера, что позволяет систематически изучить размер пор и ее влияние на лечение (10). Эти материалы были: рассева микросфер для получения под жестким контролем фракций размером упаковки этих сфер в crystallinelike массивов, мягко спекания сферах, с тем они сливаются в контактных пунктов; окружающих областях с мономера и сшивающего агента; полимеризации мономера и solventextracting шарики из сшитого полимера (сфера шаблонов). Рисунок 4 представляет собой изображение одного из этих материалов.
Материалы характеризуются проникновения измерений и анализа изображений (11). Имплантация исследования показали, что, когда поры размером около 35 мкм диаметром. Глубоко расширение ангиогенеза произошло в непосредственной близости от имплантатов и в пределах своей пористой структуры (10).
Для создания пространства специально для кардиомиоциты, Дерек Mortisen в нашей лаборатории использовали параллельный расслоений, рассеянные в сфере шаблоны для создания лесов с длинными параллельными каналами для сердечных клеток и пористая структура оптимизирована для ангиогенеза. Первоначальные эксперименты подкожной имплантации мыши показало, что кровеносные сосуды превратился построить и семенами клеток кардиомиоцитов пережили хорошо.
Таким образом, мы могли бы потенциально адрес умереть вопросы согласования кардиомиоцитов (в трубчатых каналов) и быстро вызывая формирование кровеносных сосудов, чтобы обеспечить питательные вещества для клеток.
Мы по-прежнему приходилось решать вопрос о том, где эти клетки будет поступать из, так как клетки сердечной не являются растет. Чарльз Мерри, Тодд Макдевитт и Майкл LaRamme, партнеры по программе BRP, разработаны методы tiiat различать пролиферирующих кардиомиоцитов из эмбриональных стволовых клеток человека (утвержденный линии H7) (12). Другие партнеры BEAT изучают: электрической проводимости в сердечной мышце; furtiier повышения ангиогенеза witii endotiielial клеток; хирургической имплантации; изображения; замедление рубцов и сердечной мышцы повреждения миокарда на сайте; биомеханических кондиционирования и доставки цитокинов и генов. Мы стремимся иметь имплантируемые сердечной мышцы в течение трех лет.
Инженерные новых пищевода
Пищевода и рака травмы могут привести к хирургическое удаление пищевода. После tiiis процедуры, долгосрочные процентные ставки выживания бедных слоев населения. Американское онкологическое общество оценка прогнозирует, что 15560 новых случаев заболевания раком пищевода диагностируется в США в 2007 году. Рак пищевода видел гораздо больше frequentiy otiier в таких странах, как Иран, северный Китай, Индия и soutiiern Африке, где появление цены от 10 до 100 раз выше, чем в США
При финансовой поддержке Агентства * Star в Сингапуре, мы начали проект по изучению, можно ли ткани пищевода, как инженер-хирургической замены для подакцизных пищевода. Схема на рисунке 5 представляет собой вызов смерти, и позволяет нам в стратегическом плане подход к созданию пищевода.
После разработки первичной линии клеток эпителия пищевода, мы изучили методы надлежащим образом дифференцировать их в нормальных многослойной структуры с цилиндрическими базальных клеток и более слоистых клеток в верхних слоях. Крыса эпителиальных клеток пищевода были посеяны на различных пористых материалов лесов, в том числе поли (молочной кислоты), молочно-гликолевой сополимеры, поликапролактоном и decellularized кожи (Alloderm) (13).
На decellularized кожи, сотовые стратификации была отличной. В дальнейших опытах, эти клетки были посеяны на decellularized крысы пищевода, и снова стратификации была отличной. Это позволяет предположить, что на подложке отправки правильные сигналы в клетки, соответствующей дифференциации произойдет.
В соответствии с этим результатом, КЕРМ Грех Чиан в Nanyang Technological Univ. разработана технология decellularize свиней пищевода. Поскольку свиней анатомически примерно такого же размера, как и люди, достаточно высоко на филогенетическое дерево, и уже используются для подачи материалов для человека медицинские устройства, такие технологии в конечном счете могут привести к клинически полезным пищевода.
Дополнительные технологий, которые могут быть связаны с decellularized свиней пищевода включают в себя: поверхность иммобилизации специфическими лигандами Нотч дальнейшего повышения клеточной дифференцировки (14); осаждения ориентированных electrospun сетки (в радиальном или продольно) для мышечных клеток; биореактора развития и доставки генов.
Заглядывая вперед
Тканевая инженерия здесь сегодня жизни имплантатов идут в людей. Тем не менее, наука тканевой инженерии просто сойти на землю. Сравнение клеток семенами случайно в пористую эшафот с реальной ткани, совершенно очевидно, что существует большой разрыв, интеллектуальных и технологических, которые должны быть устранены по-настоящему расти ткани, имитирующие оригиналы. В самом деле, в это время, мы зависим от некоторых присущих организационного потенциала биологии принять наши примитивной ячейки семенами леса вплоть до аналог реальной ткани. У нас мало понимания этого процесса.
Развитие науки систематического связанные с клеточными привязанности, пролиферации и дифференцировки, особенно в 3-мерном леса и разные типы клеток, принесет тканевой инженерии от эмпирического и изобретательской технологии изысканные технической практикой. Исследования, проведенные в биологии развития, поможет нам понять, как ткани развиваться естественным образом, и как сигнальных белков может привести к инженерным управления ткани реконструкции. Достижения в области воспаления и ангиогенеза позволит лучше понять интеграции с телом инженерии тканей построить. Технология изготовления необходимо будет эволюционировали, чтобы мы могли сделать, например, 100000-плюс esophagi которые могут быть необходимы для замены оборудования во всем мире.
Наконец, бизнес-модели будет создавать выгодные tissueengineering предприятия, которые будут стимулировать промышленность инвестиций, ведущих к дальнейшему прогрессу и ткани / органа замены решений, которые даже не предусмотрено сегодня.
ЛИТЕРАТУРА
1. Лангер Р., JP вакантно!, 'Тканевая инженерия ", Наука, 260, с. 920-926 (1993).
2. Палссон, BO, С. Н. Bhatia, 'тканевая инженерия ", Prentice Hall, Верховья реки седла, Нью-Джерси (2003).
3. Атала, А. и др., "Основы регенеративной медицины", Academic Press, Берлингтон, М. (2007).
4. Ланца, Р. и др., "Основы тканевая инженерия", Academic Press, Берлингтон, М. (2007).
5. Атала, А. и др., "Tissue-Engineered Собств пузыри для пациентов, нуждающихся в Cystoplasty", Lancet, 367, с. 1241-1246 (2006).
6. Мантовани, A., "макрофаг разнообразии и поляризация: в естественных условиях" Веритас "," Blood, 108 (2), с. 408-409 (2006).
7. Найкласон, LE, и др., "Функциональные автомагистралях, выращенных в пробирке", Наука, 284, с. 489-493 (1999).
8. B рядовой, JH и др. ", Неоваскуляризация синтетических мембран Режиссер мембраны микроархитектуры," J. Biomed. Mater. Рез., 29, с. 1517-1524 (1995).
9. Палчев, А. А. и др., "Инженерная ткани, который инкапсулирует Подкожное имплантаты. I. Диффузия Свойства" J Biomed Mater. Рез., 37, с. 401-412 (1997).
10. Маршалл AJ и др. ", биоматериалы с жестким контролем, что размер пор содействовать сосудистой In-роста". ACS Полимерные Препринты, А. С. (2). с. 100-101 (2004).
11. Маршалл А., Б. Ратнер, "количественная характеристика Сфера-пористых шаблонов биоматериалов", AlChE Journal, 51 (4), с. 1221-1232 (2005).
12. Макдевитт, TC, и др., "Распространение кардиомиоцитов, полученные из эмбриональных стволовых клеток опосредовано через IGF / PI 3-kinase/Akt сигнального пути," Журнал молекулярной и клеточной кардиологии. 39, с. 865-873 (2005).
13. Бекстед, Б. и др. ", пищевода эпителиальной клетки Взаимодействие с синтетических и природных леса для тканевой инженерии", биоматериалы, 26, с. 62176228 (2005).
14. Бекстед BL, и др., "Изображая межклеточного взаимодействия при биоматериала-Cell интерфейс для управления клеточной дифференцировки стволовых", J. Mater Biomed. Исследования, 79А (1), с. 94-103 (2006).
BUDDY D. Ратнер
Университет Вашингтон
ENGINEERED биоматериалов (UWeb)
Благодарности
Щедрая поддержка была получена от грантов NSF ЕЭС 9529161 (UWeb Engineering Research Центр), NIH Р24 HL64387 (BEAT BRP), и * Star финансируемых Сингапуре Univ. Вашингтон альянс (Suwa).
BUDDY D. Ратнер, профессор биоинженерии и химического машиностроения в Univ. Вашингтон и, начиная с 1996 года работал директором Университета Вашингтона биоматериалы Engineered (UWeb) (кафедра биоинженерии, Univ. Вашингтона, Box 355061, William H. Foege Строительство, номер N330J, Seattle, WA 98195, телефон: ( 206) 685-1005, факс: (206) 616-9763, E-почта: <a href="mailto:ratner@uweb.engr.washington.edu"> ratner@uweb.engr.washington.edu </ A> ; сайте: <a target="_blank" href="http://www.uweb.engr.washington.edu" rel="nofollow"> www.uweb.engr.washington.edu </ A>). С 1985 по 1996 год он руководил NIH-финансируемой Национальной ESCA и анализа поверхности Центр медико-биологических проблем (NESAC / BIO). В настоящее время его научные интересы включают биоматериалы, тканевая инженерия, полимеры, биосовместимость, поверхностный анализ органических материалов, самосборка, нанобиотехнологии и RF-плазменного осаждения тонких пленок. Он имеет докторскую степень в области полимерной химии Политехнического института в Бруклине.
