) — jaunu audu un orgānu radīšana bojāta orgāna terapeitiskai rekonstrukcijai, nogādājot atbalsta struktūras, molekulāros un mehāniskos signālus reģenerācijai vēlamajā zonā.
Apraksts
Parastie implanti, kas izgatavoti no inertiem materiāliem, var novērst tikai bojāto audu fiziskos un mehāniskos defektus. Audu inženierijas mērķis ir atjaunot bioloģiskās (vielmaiņas) funkcijas, t.i., audu reģenerāciju, nevis vienkārši aizstāt to ar sintētisku materiālu.
Audu inženierijas implanta (transplantata) izveide ietver vairākus posmus:
- pašu vai donoru šūnu materiāla selekcija un audzēšana;
- speciāla šūnu nesēja (matricas) izstrāde uz bioloģiski saderīgu materiālu bāzes;
- šūnu kultūras pielietošana matricai un šūnu pavairošana bioreaktorā ar īpašiem kultivēšanas apstākļiem;
- transplantāta tieša ievadīšana skartā orgāna zonā vai iepriekšēja ievietošana vietā, kas ir labi apgādāta ar asinīm nobriešanai un mikrocirkulācijas veidošanai transplantāta iekšpusē (sagatavošana).
Šūnu materiāls var būt reģenerētas audu šūnas vai cilmes šūnas. Lai izveidotu potzaru matricas, tiek izmantoti bioloģiski inerti sintētiskie materiāli, materiāli uz dabisko polimēru bāzes (hitozāns, algināts, kolagēns), kā arī biokompozītmateriāli. Piemēram, kaulu audu ekvivalentus iegūst, mērķtiecīgi diferencējot kaulu smadzenes, nabassaites asinis vai taukaudu cilmes šūnas. Pēc tam iegūtie osteoblasti (jaunās kaula šūnas, kas atbild par tā augšanu) tiek uzklāti uz dažādiem materiāliem, kas atbalsta to dalīšanos - donora kauls, kolagēna matricas, porains hidroksiapatīts utt. Pašlaik plaši tiek izmantoti dzīvās ādas ekvivalenti, kas satur donora vai savas ādas šūnas ASV, Krievijā. , Itālija. Šīs konstrukcijas uzlabo plašu apdegumu dzīšanu. Transplantu izstrāde tiek veikta arī kardioloģijā (mākslīgie sirds vārstuļi, lielu asinsvadu un kapilāru tīklu rekonstrukcija); atjaunot elpošanas orgānus (balseni, traheju un bronhus), tievo zarnu, aknas, urīnceļu sistēmas orgānus, endokrīnos dziedzerus un neironus. metālus audu inženierijā izmanto, lai kontrolētu šūnu augšanu, pakļaujot dažādu virzienu magnētiskajiem laukiem. Piemēram, šādā veidā bija iespējams izveidot ne tikai aknu struktūru analogus, bet arī tādas sarežģītas struktūras kā tīklenes elementus. Tāpat ar metodi radītie materiāli (elektronstaru litogrāfija, EBL) nodrošina matricu nanomēroga virsmu efektīvai kaulu implantu veidošanai. Mākslīgo audu un orgānu izveide ļaus atteikties no lielākās daļas donoru orgānu transplantācijas, uzlabos pacientu dzīves kvalitāti un izdzīvošanu.
Autori
- Narodickis Boriss Saveljevičs
- Ņesterenko Ludmila Nikolajevna
Avoti
- Nanotehnoloģijas audu inženierijā // Nanometrs. -www.nanometer.ru/2007/10/16/tkanevaa_inzheneria_4860.html
- Cilmes šūna // Wikipedia, brīvā enciklopēdija.
Audu inženierija savulaik tika klasificēta kā bioloģisko materiālu apakšnodaļa, taču, tā kā tās apjoms un nozīme ir pieaugusi, to var uzskatīt par atsevišķu apakšsadaļu. Lai audumi pareizi darbotos, ir vajadzīgas noteiktas mehāniskās un strukturālās īpašības. Termins "audu inženierija" attiecas arī uz specifisku bioķīmisko funkciju izpildes korekciju, izmantojot šūnas mākslīgi izveidotā atbalsta sistēmā (piemēram, mākslīgā aizkuņģa dziedzeris vai mākslīgās aknas). Termins "reģeneratīvā medicīna" bieži tiek lietots kā audu inženierijas sinonīms, lai gan reģeneratīvajā medicīnā lielāks uzsvars tiek likts uz cilmes šūnu izmantošanu audu ražošanā.
Parasti audu inženierija, kā norādīja Langers un Vakanti, tiek uzskatīta par "starpdisciplināru jomu, kurā inženierijas un bioloģijas principi tiek piemēroti, lai izstrādātu bioloģiskus aizstājējus, kas ir audu vai visa orgāna funkciju atjaunošana, saglabāšana vai uzlabošana. ”. Audu inženierija ir definēta arī kā "izpratne par audu augšanas principiem un to pielietošana funkcionālu audu aizstājēju ražošanā klīniskai lietošanai". Detalizētākā aprakstā teikts, ka "Audu inženierijas pamatpieņēmums ir tāds, ka dabisko bioloģisko sistēmu izmantošana ļaus gūt lielākus panākumus tādu terapeitisko metožu izstrādē, kuru mērķis ir aizstāt, labot, uzturēt un/vai paplašināt audu funkcijas."
Šūnas no šķidriem audiem, piemēram, asinīm, var iegūt dažādos veidos, parasti centrifugējot. Ir grūtāk iegūt šūnas no cietiem audiem. Parasti audus sasmalcina un pēc tam sagremo ar tripsīna vai kolagenāzes enzīmiem, lai noņemtu ekstracelulāro matricu, kas satur šūnas. Pēc tam šūnām ļauj brīvi peldēt, un tās tiek izņemtas it kā no šķidriem audiem. Reakcijas ātrums ar tripsīnu ir ļoti atkarīgs no temperatūras, un augsta temperatūra rada lielu kaitējumu šūnām. Kolagenāzei nepieciešama zema temperatūra un līdz ar to mazāks šūnu zudums, taču reakcija ilgst ilgāk, un pati kolagenāze ir dārgs reaģents. Šūnas bieži tiek implantētas mākslīgās struktūrās, kas spēj atbalstīt trīsdimensiju audu veidošanos. Šīs konstrukcijas sauc par sastatnēm.
Lai sasniegtu audu rekonstrukcijas mērķi, sastatnēm jāatbilst dažām īpašām prasībām. Augsta porainība un noteikts poru izmērs, kas ir būtiski, lai veicinātu šūnu iesēšanu un difūziju visā struktūrā, gan šūnās, gan uzturvielās. Bioloģiskā noārdīšanās spēja bieži ir nozīmīgs faktors, jo sastatnes uzsūcas apkārtējos audos bez nepieciešamības pēc ķirurģiskas noņemšanas. Sadalīšanās ātrumam pēc iespējas jāatbilst audu veidošanās ātrumam: tas nozīmē, ka, lai gan ražotās šūnas ap tām izveidos savu dabisko matricas struktūru, tās jau spēj saglabāt ķermeņa strukturālo integritāti un galu galā. galu galā sastatnes tiks salauztas, atstājot jaunizveidotus audus, kas uzņemsies mehānisko slodzi.
Ir izpētīti dažādi sastatņu materiāli (dabīgi un sintētiski, bioloģiski noārdāmi un pastāvīgi). Lielākā daļa no šiem materiāliem bija zināmi medicīnas jomā jau pirms audu inženierijas kā pētniecības tēmas, un jau tika izmantoti, piemēram, šuvju ķirurģijā. Lai izstrādātu sastatnes ar ideālām īpašībām (biosaderība, neimunogenitāte, caurspīdīgums utt.), tām izstrādāti jauni materiāli.
Sastatnes var būvēt arī no dabīgiem materiāliem: jo īpaši ir pētīti dažādi ārpusšūnu matricas atvasinājumi un to spēja atbalstīt šūnu augšanu. Olbaltumvielu materiāli, piemēram, kolagēns vai fibrīns, un polisaharīdi, piemēram, hitozāns vai glikozaminoglikāns (GAG), ir piemēroti saderības ziņā, taču daži jautājumi joprojām paliek atklāti. Funkcionālās sastatņu grupas var būt noderīgas mazu molekulu (zāļu) nogādāšanai noteiktos audos.
oglekļa nanocaurules
Oglekļa nanocaurules ir paplašinātas cilindriskas struktūras ar diametru no viena līdz vairākiem desmitiem nanometru un garumu līdz vairākiem centimetriem, kas sastāv no vienas vai vairākām sešstūra grafīta plaknēm, kas velmētas caurulē un parasti beidzas ar puslodes galvu, ko var uzskatīt par puse fullerēna molekulas.
Kā zināms, fullerēnu (C60) 1985.gadā atklāja Smalley, Kroto un Curl grupa, par ko 1996.gadā šiem pētniekiem tika piešķirta Nobela prēmija ķīmijā. Kas attiecas uz oglekļa nanocaurulēm, tad šeit nevar norādīt precīzu to atklāšanas datumu. Lai gan ir vispārzināms, ka Iijima novēroja daudzsienu nanocauruļu struktūru 1991. gadā, ir agrāk pierādījumi par oglekļa nanocauruļu atklāšanu. Tā, piemēram, 1974. - 1975.g. Endo un citi publicēja vairākus darbus, kuros aprakstītas plānas caurules, kuru diametrs ir mazāks par 100 nm, kas sagatavotas ar tvaiku kondensācijas metodi, taču sīkāka struktūras izpēte netika veikta.
PSRS Zinātņu akadēmijas Sibīrijas nodaļas Katalīzes institūta zinātnieku grupa 1977. gadā, mikroskopā pētot dzelzs-hroma dehidrogenēšanas katalizatoru karbonizāciju, reģistrēja "dobo oglekļa dendrītu" veidošanos, savukārt mehānisms tika piedāvāts veidojums un aprakstīta sienu struktūra. 1992. gadā žurnālā Nature tika publicēts raksts, kurā teikts, ka nanocaurules tika novērotas 1953. gadā. Gadu iepriekš, 1952. gadā, padomju zinātnieku Raduškeviča un Lukjanoviča raksts vēstīja par šķiedru ar aptuveni 100 nm diametru elektronu mikroskopisku novērojumu, kas iegūts termiski. oglekļa oksīda sadalīšanās uz dzelzs katalizatora. Šie pētījumi arī netika turpināti.
Ir daudz teorētisku darbu par šīs oglekļa alotropās formas prognozēšanu. Darbā ķīmiķis Džonss (Dedalus) spekulēja par tītajām grafīta caurulēm. L. A. Černozatonska un citā darbā, kas publicēts tajā pašā gadā kā Iijimas darbs, tika iegūtas un aprakstītas oglekļa nanocaurules, un M. Ju.Korņilovs 1986. gadā ne tikai paredzēja vienas sienas oglekļa nanocauruļu esamību, bet arī ierosināja. to lielā elastība.
Nanocauruļu uzbūve
Ideāla nanocaurule ir grafīta plakne, kas velmēta cilindrā, tas ir, virsma, kas izklāta ar regulāriem sešstūriem, kuru virsotnēs atrodas oglekļa atomi. Šādas darbības rezultāts ir atkarīgs no grafīta plaknes orientācijas leņķa attiecībā pret nanocaurules asi. Orientācijas leņķis savukārt nosaka nanocaurules hiralitāti, kas jo īpaši nosaka tās elektriskās īpašības.
1. att. Grafīta plaknes locīšana, lai iegūtu (n, m) nanocauruli
Lai iegūtu hiralitātes (n, m) nanocauruli, grafīta plakne ir jāsagriež pa punktoto līniju virzieniem un jāvelk vektora R virzienā.
Sakārtots pāris (n, m), kas norāda sešstūra koordinātas, kurām plaknes locīšanas rezultātā jāsakrīt ar sešstūri, kas atrodas koordinātu sākumpunktā, tiek saukts par nanocaurules hiralitāti un tiek apzīmēts. Vēl viens veids, kā apzīmēt hiralitāti, ir norādīt leņķi α starp nanocaurules locīšanas virzienu un virzienu, kurā blakus esošajiem sešstūriem ir kopīga puse. Tomēr šajā gadījumā, lai pilnībā aprakstītu nanocaurules ģeometriju, ir jānorāda tās diametrs. Viena slāņa nanocaurules hiralitātes indeksi (m, n) unikāli nosaka tās diametru D. Šai attiecībai ir šāda forma:
kur d 0 = 0,142 nm ir attālums starp blakus esošajiem oglekļa atomiem grafīta plaknē.
Sakarību starp hiralitātes indeksiem (m, n) un leņķi α nosaka:
Starp dažādiem iespējamajiem nanocauruļu locīšanas virzieniem izšķir tos, kuros (n, m) sešstūra izlīdzināšanai ar izcelsmi nav nepieciešams izkropļot tā struktūru. Šie virzieni jo īpaši atbilst leņķiem α = 0 (atzveltnes krēsla konfigurācija) un α = 30° (zigzaga konfigurācija). Šīs konfigurācijas atbilst attiecīgi hiralitātei (n, 0) un (2m, m).
Vienas sienas nanocaurules
Eksperimentāli novēroto vienas sienas nanocauruļu struktūra daudzos aspektos atšķiras no iepriekš parādītā idealizētā attēla. Pirmkārt, tas attiecas uz nanocaurules virsotnēm, kuru forma, kā izriet no novērojumiem, ir tālu no ideālas puslodes. Īpašu vietu viensienu nanocauruļu vidū ieņem tā sauktās atzveltnes krēsla nanocaurules jeb nanocaurules ar hiralitāti [10, 10]. Šāda veida nanocaurulēs divas no C-C saitēm, kas veido katru sešu locekļu gredzenu, ir orientētas paralēli caurules gareniskajai asij. Nanocaurulēm ar šādu struktūru jābūt tīri metāliskai struktūrai.
Daudzsienu nanocaurules
Daudzsienu nanocaurules atšķiras no vienas sienas nanocaurulēm ar daudz plašāku formu un konfigurāciju dažādību. Struktūru daudzveidība izpaužas gan garenvirzienā, gan šķērsvirzienā. “Krievu leļļu” tipa struktūra ir koaksiāli ligzdotu cilindrisku cauruļu komplekts. Vēl viens šīs struktūras veids ir ligzdotu koaksiālo prizmu kopums. Visbeidzot, pēdējā no šīm struktūrām atgādina ritināšanu (ritinu). Visas struktūras raksturo attāluma vērtība starp blakus esošajiem grafīta slāņiem, kas ir tuvu 0,34 nm vērtībai, kas raksturīga attālumam starp kristāliskā grafīta blakus esošajām plaknēm.
Tādas vai citas daudzsienu nanocauruļu struktūras realizācija konkrētā eksperimentālā situācijā ir atkarīga no sintēzes apstākļiem. Pieejamo eksperimentālo datu analīze liecina, ka tipiskākā daudzsienu nanocauruļu struktūra ir struktūra, kuras garumā pārmaiņus izvietotas “krievu ligzdojošo leļļu” un “papjēmašē” tipa sekcijas. Šajā gadījumā mazāka izmēra "caurules" tiek secīgi ievietotas lielākās caurulēs.
Oglekļa nanocauruļu iegūšana
Oglekļa nanocauruļu (CNT) sintēzes metožu izstrāde sekoja sintēzes temperatūras pazemināšanai. Pēc fullerēnu ražošanas tehnoloģijas izveides tika konstatēts, ka grafīta elektrodu elektriskā loka iztvaikošanas laikā līdz ar fullerēnu veidošanos veidojas paplašinātas cilindriskas struktūras. Mikroskopists Sumio Iijima, izmantojot transmisijas elektronu mikroskopu (TEM), bija pirmais, kurš identificēja šīs struktūras kā nanocaurules. Augstas temperatūras metodes CNT ražošanai ietver elektriskā loka metodi. Ja grafīta stienis (anods) tiek iztvaicēts elektriskā lokā, tad uz pretējā elektroda (katoda) veidojas cieta oglekļa uzkrājums (nogulsnes), kura mīkstajā kodolā ir daudzsienu CNT ar diametru 15– 20 nm un garums ir lielāks par 1 μm. CNT veidošanos no fullerēna sodrējiem augstas temperatūras termiskās iedarbības rezultātā uz kvēpu pirmo reizi novēroja Oksfordas un Šveices grupa. Elektroloka sintēzes iekārta ir metālietilpīga, enerģiju patērējoša, taču universāla dažāda veida oglekļa nanomateriālu iegūšanai. Šajā gadījumā būtiska problēma ir procesa nelīdzsvarotība loka degšanas laikā. Elektriskā loka metode savulaik aizstāja lāzera iztvaikošanas (ablācijas) metodi ar lāzera staru. Ablācijas iekārta ir parasta pretestības apkures krāsns, kas nodrošina 1200C temperatūru. Lai tajā iegūtu augstāku temperatūru, pietiek ar oglekļa mērķi ievietot krāsnī un novirzīt uz to lāzera staru, pārmaiņus skenējot visu mērķa virsmu.
Tā Smalley grupa, izmantojot dārgas iekārtas ar īsu impulsu lāzeru, 1995. gadā ieguva nanocaurules, "ievērojami vienkāršojot" to sintēzes tehnoloģiju. Tomēr CNT ienesīgums joprojām bija zems. Nelielu niķeļa un kobalta piedevu ieviešana grafītā ļāva palielināt CNT iznākumu līdz 70–90%. No šī brīža nanocauruļu veidošanās mehānisma koncepcijā sākās jauns posms. Kļuva skaidrs, ka metāls ir augšanas katalizators. Tādējādi parādījās pirmie darbi par nanocauruļu ražošanu ar zemas temperatūras metodi - ogļūdeņražu katalītiskās pirolīzes (CVD) metodi, kur kā katalizators tika izmantotas dzelzs grupas metāla daļiņas. Viens no uzstādīšanas variantiem nanocauruļu un nanošķiedru ražošanai ar CVD metodi ir reaktors, kurā tiek ievadīta inerta nesējgāze, kas ved katalizatoru un ogļūdeņradi uz augstas temperatūras zonu. Vienkāršoti sakot, CNT augšanas mehānisms ir šāds. Ogļūdeņraža termiskās sadalīšanās laikā izveidojies ogleklis izšķīst metāla nanodaļiņā.
Sasniedzot augstu oglekļa koncentrāciju daļiņā uz vienas no daļiņu-katalizatora virsmām, notiek enerģētiski labvēlīga liekā oglekļa "izolācija" izkropļota daļēji fullerēna vāciņa veidā. Tā dzimst nanocaurule. Sadalītais ogleklis turpina iekļūt katalizatora daļiņā, un, lai atbrīvotu tās koncentrācijas pārpalikumu kausējumā, tas ir pastāvīgi jāiznīcina. Augošā puslode (semifullerēns) no kausējuma virsmas nes sev līdzi izšķīdušo lieko oglekli, kura atomi ārpus kausējuma veido C-C saiti, kas ir cilindrisks karkass-nanocaurule. Daļiņas kušanas temperatūra nanoizmēra stāvoklī ir atkarīga no tās rādiusa. Jo mazāks rādiuss, jo zemāka kušanas temperatūra. Tāpēc dzelzs nanodaļiņas, kuru izmērs ir aptuveni 10 nm, atrodas kausētā stāvoklī zem 600C. Šobrīd CNT sintēze zemā temperatūrā ir veikta ar acetilēna katalītiskās pirolīzes metodi Fe daļiņu klātbūtnē 550C temperatūrā. Sintēzes temperatūras samazināšanai ir arī negatīvas sekas. Zemākā temperatūrā tiek iegūti CNT ar lielu diametru (apmēram 100 nm) un stipri bojātu "bambusa" struktūru vai ligzdoti nanokonus. Iegūtie materiāli sastāv tikai no oglekļa, taču tie pat netuvojas ārkārtējiem raksturlielumiem (piemēram, Younga modulim), kas novēroti vienas sienas oglekļa nanocaurulēs, kas iegūtas ar lāzera ablāciju vai elektriskā loka sintēzi.
Nosūtiet savu labo darbu zināšanu bāzē ir vienkārši. Izmantojiet zemāk esošo veidlapu
Studenti, maģistranti, jaunie zinātnieki, kuri izmanto zināšanu bāzi savās studijās un darbā, būs jums ļoti pateicīgi.
Publicēts http://www.allbest.ru/
Publicēts http://www.allbest.ru/
Makejevskas vidusskolas I - III pakāpe №72
par tēmu: Audu inženierija medicīnā
Pabeigts:
Shujaulla Kamila
Ievads
1.1 Primārās šūnas
1.2 Cilmes šūnas
3.2 3D biodruka
4. Audu audzēšana
4.7 Kaulu smadzenes
5 Orgānu audzēšana
5.1 Pūslis
5.2 Traheja
5.4 Aknas
5.5 Sirds
5.6 Plaušas
Secinājums
Pieteikums
Ievads
Viens no biotehnoloģijas virzieniem, kas nodarbojas ar audu un orgānu bioloģisko aizvietotāju radīšanu, ir audu inženierija (TI).
Audu inženierija ir jaunu audu un orgānu radīšana bojāta orgāna terapeitiskai rekonstrukcijai, nogādājot atbalsta struktūras, šūnas, molekulāros un mehāniskos signālus reģenerācijai vēlamajā zonā.
Šobrīd audu inženieriju sāk izmantot klīniskajā praksē deģeneratīvu slimību un malformāciju ārstēšanai; ar apdegumiem un traumām, ar vēlu hidro- un ureterohidronefrozi, kā arī ar zobārstniecības un kosmētiskajām operācijām.
Mūsdienu attīstība biomedicīnā un jo īpaši audu inženierijā; var izmantot, lai uzlabotu ārstēšanas efektivitāti zaudēto funkcionāli nozīmīgu audu atjaunošanā.
1. Šūnas audu inženierijai
Vissvarīgākais veiksmes elements ir vajadzīgā skaita funkcionāli aktīvo šūnu pieejamība, kas spēj diferencēt, uzturēt atbilstošu fenotipu un veikt noteiktas bioloģiskās funkcijas. Šūnu avots var būt ķermeņa audi un iekšējie orgāni. Ir iespējams izmantot atbilstošas šūnas no pacienta, kuram nepieciešama rekonstruktīvā terapija, vai no tuva radinieka (autogēnās šūnas). Var izmantot dažādas izcelsmes šūnas, ieskaitot primārās un cilmes šūnas.
1.1 Primārās šūnas
Primārās šūnas ir noteikta audu nobriedušas šūnas, kuras var paņemt tieši no donora organisma (ex vivo) ar operācijas palīdzību. Ja primārās šūnas tiek ņemtas no noteikta donora organisma un pēc tam šīs šūnas tajā jāiestāda kā recipients, tad implantēto audu atgrūšanas varbūtība tiek izslēgta, jo pastāv maksimālā iespējamā primāro šūnu imunoloģiskā saderība. un saņēmējs. Tomēr primārās šūnas, kā likums, nespēj dalīties - to reprodukcijas un augšanas potenciāls ir zems.
Kultivējot šādas šūnas in vitro (ar audu inženierijas palīdzību), dažiem šūnu veidiem ir iespējama dediferenciācija, tas ir, specifisku, individuālu īpašību zudums. Piemēram, hondrocīti, kas ievadīti kultūrā ārpus ķermeņa, bieži rada šķiedrainus, nevis caurspīdīgus skrimšļus.
Tā kā primārās šūnas nav spējīgas dalīties un var zaudēt savas specifiskās īpašības, šūnu inženierijas tehnoloģiju attīstībai ir nepieciešami alternatīvi šūnu avoti. Cilmes šūnas ir kļuvušas par šādu alternatīvu.
1.2 Cilmes šūnas
Cilmes šūnas ir nediferencētas šūnas, kurām ir spēja sadalīties, pašatjaunoties un diferencēties dažāda veida specializētās šūnās specifisku bioloģisku stimulu ietekmē.
Cilmes šūnas ir sadalītas "pieaugušajās" un "embrionālajās"
"Pieaugušo" cilmes šūnu avots ir nabassaites asinis, kas savāktas pēc bērna piedzimšanas. Šīs asinis ir ļoti bagātas ar cilmes šūnām. Paņemot šīs asinis no bērna nabassaites un ievietojot kriobankā (speciālā krātuvē), cilmes šūnas vēlāk var izmantot, lai atjaunotu gandrīz jebkuru šī indivīda audu un orgānu. Šīs cilmes šūnas ir iespējams izmantot arī citu pacientu ārstēšanai, ja tās ir saderīgas ar antigēniem. Amerikāņu zinātnieki no cilvēka placentas (tur to skaits ir 10 reizes lielāks nekā nabassaites asinīs) ieguvuši cilmes šūnas, kas spēj pārveidoties ādas, asins, muskuļu un nervu šūnās.
Cita veida cilmes šūnu, augļa (embrionālo) cilmes šūnu avots ir 9-12 grūtniecības nedēļu aborts materiāls. Šis avots līdz šim ir visizplatītākais. Taču, izņemot ētiskas un juridiskas berzes, augļa šūnas dažkārt var izraisīt transplantāta atgrūšanu. Turklāt nepārbaudīta aborta materiāla izmantošana ir saistīta ar pacienta inficēšanos ar vīrusu hepatītu, AIDS, citomegalovīrusu utt.
Organizācijas virzīšanai, šūnu augšanas un diferenciācijas uzturēšanai bojāto audu rekonstrukcijas procesā ir nepieciešams īpašs šūnu nesējs - matrica, kas ir trīsdimensiju tīkls, kas līdzīgs sūklim vai pumekam (papildu 3. att.) . To veidošanai tiek izmantoti bioloģiski inerti sintētiskie materiāli, materiāli uz dabīgo polimēru bāzes (hitozāns, algināts, kolagēns) un biokompozīti. Piemēram, kaulu audu ekvivalentus iegūst, virzot kaulu smadzeņu, nabassaites asiņu vai taukaudu cilmes šūnu diferenciāciju osteoblastos, kas pēc tam tiek uzklāti uz dažādiem materiāliem, kas atbalsta to dalīšanos (piemēram, donora kauls, kolagēna matricas utt.).
2. Mākslīgo orgānu izveides posmi
Līdz šim viena no audu inženierijas stratēģijām ir šāda:
1. Sava vai donora šūnu materiāla selekcija un audzēšana.
Šūnu materiāls var būt reģenerētas audu šūnas vai cilmes šūnas.
Pirmajā posmā tiek atlasīts paša vai donora šūnu materiāls (biopsija), audiem specifiskās šūnas tiek izolētas un kultivētas. Audu inženierijas struktūras jeb transplantāta sastāvs papildus šūnu kultūrai ietver īpašu nesēju (matricu)
2. Īpaša šūnu nesēja (matricas) izstrāde, kuras pamatā ir bioloģiski saderīgi materiāli
Matricas var izgatavot no dažādiem bioloģiski saderīgiem materiāliem. Lai izveidotu potzaru matricas, tiek izmantoti bioloģiski inerti sintētiskie materiāli, materiāli uz dabisko polimēru bāzes (hitozāns, algināts, kolagēns), kā arī biokompozītmateriāli. Piemēram, kaulu audu ekvivalentus iegūst, mērķtiecīgi diferencējot kaulu smadzenes, nabassaites asinis vai taukaudu cilmes šūnas. Iegūtās kultūras šūnas tiek uzklātas uz matricas. inženierijas audu orgānu audzēšana
3. Šūnu kultūras pielietošana matricā un šūnu pavairošana bioreaktorā ar īpašiem kultivēšanas apstākļiem
Kur kultūra tiek inkubēta noteiktu laiku. Pirmie bioreaktori tika izveidoti mākslīgo aknu audu ražošanai.
4. Tieša transplantāta ievadīšana skartā orgāna zonā vai iepriekšēja ievietošana vietā, kas ir labi apgādāta ar asinīm, lai nobrietu un izveidotu mikrocirkulāciju transplantāta iekšpusē (sagatavošana).
Biomateriāliem, ko izmanto matricu iegūšanai, jābūt bioloģiski inertiem un pēc potēšanas (pārnesšanas uz ķermeni) jānodrošina uz tiem nogulsnētā šūnu materiāla lokalizācija noteiktā vietā. Lielākā daļa audu inženierijas biomateriālu organismā viegli iznīcina (resorbējas) un tiek aizstāti ar saviem audiem. Šajā gadījumā nedrīkst veidoties starpprodukti, kas ir toksiski, maina audu pH vai traucē šūnu kultūras augšanu un diferenciāciju. Neresorbējošie materiāli gandrīz nekad netiek izmantoti, jo tie ierobežo reģeneratīvo aktivitāti, izraisa pārmērīgu saistaudu veidošanos, izraisa reakciju uz svešķermeni (iekapsulēšana)
Dzīvas ādas ekvivalentus, kas satur donora vai savas ādas šūnas, šobrīd plaši izmanto ASV, Krievijā un Itālijā. Šīs konstrukcijas uzlabo plašu apdeguma virsmu dzīšanu. Transplantu izstrāde tiek veikta arī kardioloģijā (mākslīgie sirds vārstuļi, lielu asinsvadu un kapilāru tīklu rekonstrukcija); atjaunot elpošanas orgānus (balseni, traheju un bronhus), tievo zarnu, aknas, urīnceļu sistēmas orgānus, endokrīnos dziedzerus un neironus. Metāla nanodaļiņas audu inženierijā izmanto, lai kontrolētu šūnu augšanu, pakļaujot tās dažādu virzienu magnētiskajiem laukiem. Piemēram, šādā veidā bija iespējams izveidot ne tikai aknu struktūru analogus, bet arī tādas sarežģītas struktūras kā tīklenes elementus. Tāpat nanokompozītmateriāli, kas izveidoti, izmantojot elektronu staru litogrāfijas metodi (elektronu staru litogrāfija, EBL), nodrošina matricu nanomēroga virsmas raupjumu efektīvai kaulu implantu veidošanai. Mākslīgo audu un orgānu izveide ļaus atteikties no lielākās daļas donoru orgānu transplantācijas, uzlabos pacientu dzīves kvalitāti un izdzīvošanu.
3. Audu inženierijas pamatmetodes
3.1. Dabiskās organoģenēzes simulācija
Organoģenēze - orgānu veidošanās process embrionālās attīstības laikā
Organoģenēzi pavada šūnu, audu diferenciācija, selektīva un nevienmērīga atsevišķu orgānu un ķermeņa daļu augšana, turpinās kāpurā un beidzas juvenīlajā periodā.
3.2 3D biodruka
Daudzsološās audu inženierijas tehnoloģijas ir pavērušas iespēju laboratoriski izveidot dzīvus audus un orgānus, taču zinātne joprojām ir bezspēcīga pirms sarežģītu orgānu radīšanas. Taču salīdzinoši nesen zinātnieki doktora Gintera Tovara vadībā no Fraunhofera biedrības Vācijā ir veikuši milzīgu izrāvienu audu inženierijas jomā – viņi ir izstrādājuši tehnoloģiju asinsvadu radīšanai. Bet šķita, ka nav iespējams mākslīgi izveidot kapilāru struktūras, jo tām jābūt elastīgām, elastīgām, mazas formas un tajā pašā laikā mijiedarbojas ar dabiskajiem audiem. Savādi, bet palīgā nāca ražošanas tehnoloģijas - ātras prototipēšanas (citiem vārdiem sakot, 3D drukāšanas) metode. Saprotams, ka sarežģīts trīsdimensiju modelis (mūsu gadījumā asinsvads) tiek drukāts uz trīsdimensiju tintes printera, izmantojot īpašu "tinti". Printeris uzklāj materiālu slāņos, un noteiktās vietās slāņi tiek ķīmiski savienoti. Tomēr mēs atzīmējam, ka mazākajiem kapilāriem trīsdimensiju printeri vēl nav pietiekami precīzi. Šajā sakarā tika izmantota polimēru rūpniecībā izmantotā daudzfotonu polimerizācijas metode. Īsi intensīvi lāzera impulsi, kas apstrādā materiālu, uzbudina molekulas tik spēcīgi, ka tās mijiedarbojas viena ar otru, savienojoties garās ķēdēs. Tādējādi materiāls polimerizējas un kļūst ciets, bet elastīgs, kā dabiskie materiāli. Šīs reakcijas ir tik ļoti kontrolējamas, ka ar tām var izveidot mazākās struktūras pēc trīsdimensiju "zīmējuma".
Un, lai izveidotie asinsvadi varētu savienoties ar ķermeņa šūnām, trauku izgatavošanas laikā tajos tiek integrētas modificētas bioloģiskās struktūras (piemēram, heparīns) un "enkura" proteīni. Nākamajā posmā endotēlija šūnas (viens plakanu šūnu slānis, kas klāj asinsvadu iekšējo virsmu) tiek fiksētas izveidoto “kanāliņu” sistēmā, lai asins komponenti nepieliptu pie asinsvadu sistēmas sieniņām, bet būtu brīvi. transportēts caur to. Tomēr paies zināms laiks, pirms varēs implantēt laboratorijā audzētus orgānus ar saviem asinsvadiem.
Augoši orgāni uz donora vai ksenoloģiskās matricas, augošie orgāni uz mākslīgās matricas sk.3.lpp
4. Audu audzēšana
Vienkāršu audu audzēšana ir jau esoša un praksē izmantota tehnoloģija.
Bojāto ādas vietu atjaunošana jau ir daļa no klīniskās prakses. Dažos gadījumos tiek izmantotas metodes paša cilvēka, piemēram, apdeguma upura ādas atjaunošanai, izmantojot specefektus. To, piemēram, izstrādā R.R. Rakhmatullin bioplastmasas materiāla hiamatrix jeb biokols, ko izstrādājusi komanda, kuru vadīja B.K. Gavriļuks. Ādas audzēšanai apdeguma vietā izmanto arī īpašus hidrogēlus.
Tiek izstrādātas arī metodes ādas audu fragmentu drukāšanai, izmantojot īpašus printerus. Šādas tehnoloģijas veido, piemēram, ASV reģeneratīvās medicīnas centru AFIRM un WFIRM izstrādātāji.
Dr Jorgs Gerlahs un kolēģi no Pitsburgas Universitātes Reģeneratīvās medicīnas institūta ir izgudrojuši ādas transplantācijas ierīci, kas palīdzēs cilvēkiem ātrāk izārstēties no dažāda smaguma apdegumiem. Skin Gun izsmidzina šķīdumu ar savām cilmes šūnām uz cietušā bojātās ādas. Šobrīd jauna ārstēšanas metode ir eksperimenta stadijā, taču rezultāti jau ir iespaidīgi: smagi apdegumi sadzīst vien pāris dienu laikā.
Kolumbijas universitātes darbinieku grupa, kuru vadīja Gordana Vunjaka-Novakoviča (Gordana Vunjak-Novakovic) saņēma no cilmes šūnām, kas uzsētas uz rāmja, kaula fragmentu, kas līdzīgs daļai no temporomandibulārās locītavas.Izraēlas uzņēmuma Bonus Biogroup zinātnieki (dibinātājs un izpilddirektors) - Pai Meretsky, Shai Meretzki izstrādā metodes cilvēka kaula audzēšanai no pacienta taukaudiem, kas iegūti ar tauku atsūkšanu. Šādi izaudzētais kauls jau ir veiksmīgi pārstādīts žurkas ķepā.
Itāļu zinātnieki no Udīnes universitātes spēja pierādīt, ka mezenhimālo cilmes šūnu populācija, kas iegūta no vienas taukaudu šūnas in vitro, pat tad, ja nav noteiktas strukturālas matricas vai substrāta, var tikt diferencēta struktūrā, kas atgādina zoba dīgli. .
Tokijas universitātē zinātnieki ir izaudzējuši pilnvērtīgus zobus no peļu cilmes šūnām, kas satur zobu kaulus un saistaudus, un veiksmīgi transplantējuši tos dzīvnieku žokļos.
Kolumbijas Universitātes Medicīnas centra (Kolumbijas Universitātes Medicīnas centra) speciālistiem Džeremija Mao (Džeremijs Mao) vadībā izdevās atjaunot trušu locītavu skrimšļus.
Pirmkārt, pētnieki no dzīvniekiem izņēma plecu locītavas skrimšļa audus, kā arī apakšējo kaulu audu slāni. Pēc tam noņemto audu vietā tika novietotas kolagēna sastatnes.
Tiem dzīvniekiem, kuru sastatnēs bija transformējošs augšanas faktors, proteīns, kas kontrolē šūnu diferenciāciju un augšanu, no jauna veidojās kaula un skrimšļa audi uz pleca kaula, un kustība locītavā tika pilnībā atjaunota.
Amerikāņu zinātnieku grupai no Teksasas Universitātes Ostinā ir izdevies izveidot skrimšļa audus ar mehāniskām īpašībām un ekstracelulārās matricas sastāvu, kas mainās dažādās jomās.
1997. gadā ķirurgam Džejam Vskanti no Masačūsetsas vispārējās slimnīcas Bostonā izdevās uzaudzēt cilvēka ausi peles aizmugurē, izmantojot skrimšļa šūnas.
Džona Hopkinsa universitātes ārsti 42 gadus vecai sievietei ar vēzi izņēma audzēja skarto ausi un daļu no galvaskausa kaula. Izmantojot skrimšļus no krūtīm, ādu un asinsvadus no citām pacientes ķermeņa daļām, viņi uzaudzēja mākslīgo ausi uz viņas rokas un pēc tam pārstādīja to pareizajā vietā.
Vusteras Politehniskā institūta (ASV) pētnieki veiksmīgi salaboja lielu brūci muskuļu audos pelēm, audzējot un implantējot mikrofilamentus, kas sastāv no proteīna polimēra fibrīna, kas pārklāts ar cilvēka muskuļu šūnu slāni.
Izraēlas zinātnieki no Technion-Israel Tehnoloģiju institūta pēta nepieciešamo vaskularizācijas un audu organizācijas pakāpi in vitro, lai uzlabotu audu inženierijas vaskularizēta muskuļu implanta izdzīvošanu un integrāciju saņēmēja ķermenī.
Pētnieki no Pjēra un Marijas Kirī universitātes Parīzē Luka Dua vadībā pirmo reizi pasaulē veiksmīgi pārbaudījuši mākslīgās asinis, kas izaudzētas no cilmes šūnām, uz cilvēku brīvprātīgajiem.
Katrs no eksperimenta dalībniekiem saņēma 10 miljardus sarkano asins šūnu, kas atbilst aptuveni diviem mililitriem asiņu. Iegūto šūnu izdzīvošanas rādītāji bija salīdzināmi ar parasto eritrocītu izdzīvošanas rādītājiem.
4.7 Kaulu smadzenes
Mākslīgās kaulu smadzenes, kas paredzētas asins šūnu ražošanai in vitro, pirmo reizi veiksmīgi izveidojuši Mičiganas Universitātes Ķīmiskās inženierijas laboratorijas pētnieki Nikolasa Kotova vadībā. Ar tās palīdzību jau ir iespējams iegūt asinsrades cilmes šūnas un B-limfocītus – imūnsistēmas šūnas, kas ražo antivielas.
5. Sarežģītu orgānu augšana
5.1 Pūslis
Dr. Entonijs Atala un viņa kolēģi no Veikforesta universitātes ASV audzē urīnpūšļus no pašu pacientu šūnām un pārstāda tos pacientiem.
Viņi atlasīja vairākus pacientus un no tiem paņēma urīnpūšļa biopsiju - muskuļu šķiedru un urotēlija šūnu paraugus. Šīs šūnas septiņas līdz astoņas nedēļas vairojās Petri trauciņos uz burbuļveida pamatnes. Tad šādi izaudzētie orgāni tika iešūti pacientu ķermeņos.
Pacientu novērošana vairāku gadu garumā parādīja, ka orgāni darbojās labi, bez vecāku ārstēšanas negatīvās ietekmes.
Faktiski šī ir pirmā reize, kad in vitro mākslīgi izaudzēts un cilvēka ķermenī pārstādīts pietiekami sarežģīts orgāns, nevis vienkārši audi, piemēram, āda un kauli. Šī komanda arī izstrādā metodes citu audu un orgānu audzēšanai.
5.2 Traheja
Spāņu ķirurgi veica pasaulē pirmo trahejas transplantāciju, kas izaudzēta no 30 gadus vecās pacientes Klaudijas Kastiljo cilmes šūnām.
Orgāns tika audzēts Bristoles Universitātē, izmantojot kolagēna šķiedru donoru sastatnes.
Operāciju veica profesors Paolo Makjarīni no Barselonas slimnīcas klīnikas.
Profesors Makiarīni aktīvi sadarbojas ar Krievijas pētniekiem, kas ļāva veikt pirmās operācijas izaugušas trahejas pārstādīšanai Krievijā.
Advanced Cell Technology 2002. gadā ziņoja, ka viņi ir veiksmīgi izaudzējuši pilnīgu nieri no vienas šūnas, kas ņemta no govs auss, izmantojot klonēšanas tehnoloģiju, lai iegūtu cilmes šūnas.
Izmantojot īpašu vielu, cilmes šūnas tika pārvērstas par nieru šūnām.
Audi tika audzēti uz sastatnēm, kas izgatavotas no pašiznīcinoša materiāla, kas izveidots Hārvardas Medicīnas skolā un veidots kā parasta niere. Iegūtās nieres, apmēram 5 cm garas, tika implantētas govij blakus galvenajiem orgāniem.
Tā rezultātā mākslīgā niere veiksmīgi sāka ražot urīnu.
5.4 Aknas
Amerikāņu eksperti no Masačūsetsas vispārējās slimnīcas (Massachusetts General Hospital), kuru vadīja Korkut Yugun (Korkut Uygun), veiksmīgi pārstādīja vairākas žurkas ar aknām, kas izaudzētas laboratorijā no viņu pašu šūnām.
Pētnieki piecām laboratorijas žurkām izņēma aknas, attīrīja tās no saimniekšūnām, tādējādi iegūstot orgānu saistaudu sastatnes.
Pēc tam pētnieki injicēja aptuveni 50 miljonus aknu šūnu no recipientu žurkām katrā no piecām sastatnēm. Divu nedēļu laikā uz katras šūnu apdzīvotās sastatnes izveidojās pilnībā funkcionējošas aknas.
Pēc tam laboratorijā audzētie orgāni tika veiksmīgi pārstādīti piecām žurkām.
5.5 Sirds
Zinātnieki no Lielbritānijas slimnīcas Heafield, kuru vadīja Megdi Jakuba, pirmo reizi vēsturē izaudzējuši daļu sirds, izmantojot cilmes šūnas kā "celtniecības materiālu". Ārsti ir izaudzējuši audus, kas darbojas tieši tāpat kā sirds vārstuļi, kas ir atbildīgi par asins plūsmu cilvēka ķermenī. Zinātnieki no Rostokas Universitātes (Vācija) izmantoja lāzera inducētas uz priekšu pārsūtīšanas (LIFT) šūnu drukāšanas tehnoloģiju, lai izveidotu “plāksteri”, kas paredzēts sirds atjaunošanai.
5.6 Plaušas
Amerikāņu zinātnieki no Jēlas Universitātes (Jēlas Universitātes) Laura Niklason (Laura Niklason) vadībā ir izauguši laboratorijas plaušās (uz donora ekstracelulārās matricas). Matrica bija piepildīta ar plaušu epitēlija šūnām un asinsvadu iekšējo oderi, kas ņemta no citām personām. Kultivējot bioreaktorā, pētnieki varēja izaudzēt jaunas plaušas, kuras pēc tam tika pārstādītas vairākām žurkām. Orgāns normāli darbojās dažādiem indivīdiem no 45 minūtēm līdz divām stundām pēc transplantācijas. Tomēr pēc tam plaušu traukos sāka veidoties asins recekļi. Turklāt pētnieki reģistrēja neliela asins daudzuma noplūdi orgāna lūmenā. Tomēr pirmo reizi pētnieki ir spējuši pierādīt reģeneratīvās medicīnas potenciālu plaušu transplantācijai.
Secinājums
Šūnu (audu) inženierija ir biotehnoloģijas nozare, kurā tiek izmantotas metodes šūnu izolēšanai no ķermeņa, pārveidošanai un audzēšanai barības vielu barotnēs.
Viena no šūnu inženierijas jomām ir cilmes šūnu izmantošana bojāto audu un orgānu atjaunošanai. Laboratorijas apstākļos iespējama cilmes šūnu reprodukcija un tālāka specializācija. Tas paver perspektīvas cilvēku un dzīvnieku audu un dažu orgānu mākslīgai kultivēšanai, lai tos vēlāk ievadītu organismos.
Vēl viena šūnu inženierijas joma ir organismu klonēšana. Klons (no grieķu val. Clone - atzars, pēcnācējs) ir šūnu vai indivīdu kopums, kas iegūts no kopīga senča aseksuāli; klons sastāv no ģenētiski viendabīgām šūnām vai organismiem. Augos dabiskā klonēšana ir plaši izplatīta aseksuālās, īpaši veģetatīvās, vairošanās dēļ. Zinātnieki iegūst arī mākslīgos augu klonus.
Pieteikums
Mitināts vietnē Allbest.ru
Līdzīgi dokumenti
Gēnu inženierija: parādīšanās vēsture, vispārīgās īpašības, priekšrocības un trūkumi. Iepazīšanās ar jaunākajām gēnu inženierijas metodēm, to izmantošanu medicīnā. Gēnu inženierijas attīstība lopkopības un putnkopības jomā. Eksperimenti ar žurkām.
kursa darbs, pievienots 07.11.2012
Biotehnoloģijas rašanās. Biotehnoloģijas galvenie virzieni. Bioenerģija kā biotehnoloģijas nozare. Biotehnoloģijas praktiskie sasniegumi. Gēnu inženierijas vēsture. Gēnu inženierijas mērķi, metodes un fermenti. Sasniegumi gēnu inženierijā.
abstrakts, pievienots 23.07.2008
Gēnu inženierijas kā biotehnoloģijas instrumenta izmantošana dzīvo organismu iedzimtības kontrolei. Gēnu inženierijas galveno metožu un sasniegumu iezīmes medicīnā un lauksaimniecībā, ar to saistītās briesmas un perspektīvas.
ziņojums, pievienots 10.05.2011
Metodes cilvēka un dzīvnieku somatisko šūnu kultivēšanai uz mākslīgām barotnēm kā priekšnoteikums šūnu inženierijas attīstībai. Somatiskās hibridizācijas posmi. Ģenētiskā materiāla pārnešana. Transgēno augu izcelsme.
abstrakts, pievienots 23.01.2010
Gēnu inženierijas jēdziens un pamatmetodes. DNS ekstrakcijas metode uz DNS plazmīdu piemēra. Ierobežojumu-modifikācijas sistēmas darbības principi. Klonētu gēnu pārnešana un noteikšana šūnās. Rekombinantās DNS molekulu konstruēšana un ievadīšana šūnās.
abstrakts, pievienots 23.01.2010
Ģenētiskās un šūnu inženierijas būtība. Augu ģenētiskās modifikācijas galvenie uzdevumi, to izmantošanas pārtikā kaitīguma analīze. Augu un dzīvnieku šūnu hibridizācijas iezīmes. Zāļu vielu iegūšanas mehānisms, izmantojot gēnu inženieriju.
prezentācija, pievienota 26.01.2014
Vienas sugas gēnu un DNS daļu transplantācija cita organisma šūnās. Gēnu inženierijas vēsture. Attieksme pret ģenētiski modificētiem organismiem pasaulē. Jaunas ĢM šķirnes. Ko gēnu inženierija sniedz cilvēcei? Kādas ir gēnu inženierijas perspektīvas.
prezentācija, pievienota 24.02.2015
Gēnu inženierijas vēsture, mērķi un pamati; bioētiskie aspekti. Ģenētisko slimību grupas, to diagnostika un ārstēšana. Gēnu inženierijas pielietojums medicīnas praksē: gēnu vakcīnas, gēnu terapija, zāļu ražošana.
abstrakts, pievienots 26.10.2011
Dabā neeksistējošu šūnu izmantošana biotehnoloģiskos procesos. Gēnu izdalīšana no šūnām, manipulācijas ar tiem, ievadīšana citos organismos ir gēnu inženierijas uzdevumu pamatā. Gēnu inženierijas vēsture. Problēmas ar produktiem ar ĢMO.
prezentācija, pievienota 21.02.2014
Ģenētikas rašanās priekšnoteikumi. Mutāciju teorijas pamati. Ģenētika kā iedzimtības zinātne: tās sākotnējie likumi un attīstība. Gēnu inženierija: pētījuma aspekti un praktiskie rezultāti. Orgānu un audu klonēšana.
- Zarui Ivanovna, viņi saka, ka audu inženierija atdzīvina zinātnisko fantastiku. Pie kādiem fantastiskiem projektiem šodien strādā jūsu laboratorija?
Audu inženierija ir dzīvo funkcionālo audu vai orgānu projektēšana un kultivēšana ārpus ķermeņa turpmākai transplantācijai pacientam. Defekta vietā ir jāatjauno audu trīsdimensiju struktūra. Mērķis ir atjaunot audus, nevis tikai aizstāt tos ar sintētisku materiālu. Mūsu laboratorijas galvenais fokuss ir mezenhimālo cilmes šūnu kolekcijas izveide, kas iegūta no pieaugušo taukaudiem. Embrionālās cilmes šūnas tiek izolētas no embrija iekšējās šūnu masas agrīnā stadijā, un pieaugušie tiek izolēti no dažādiem pieaugušā ķermeņa audiem. Pastāv ētiska problēma, kas saistīta ar cilvēka embrija iznīcināšanu, iegūstot embrionālās cilmes šūnas. Tāpēc ir vēlams iegūt šūnas no pieauguša organisma audiem. Varbūt pirms 20 gadiem to tiešām varēja uztvert kā fantāziju, bet šodien tā ir moderna inovatīva tehnoloģija. Tas ir tas, ko mēs darām. No ASV atvestie protokoli (un desmit gadus strādāju Džordža Vašingtona universitātes laboratorijā) ļauj nevis izstrādāt metodiku no nulles, bet turpināt darbu šajā virzienā.
– Ar kādiem izaicinājumiem saskaras Fizioloģijas institūta laboratorija?
Fizioloģijas institūts jau sen veic pētījumus organismu un ārpusšūnu modeļu līmenī. Šūnu kultūra un audu inženierija sniedz iespēju attīstīt šo jomu, pētīt molekulāros mehānismus šūnu transformācijai audos, kas audzēti īpaši tālākai transplantācijai. Mēs (un tas esmu es un mani trīs jaunie kolēģi) strādājam laboratorijā ar taukaudiem (taukaudiem), no kuriem cilmes šūnas ir salīdzinoši viegli izolējamas. No tiem iespējams izaudzēt sirds audu šūnas – kardiomiocītus ar noteiktu struktūru, funkcionāli aktīvus, kontraktspējīgus, kā arī nervu un ādas šūnas atkarībā no pētījuma mērķa. Mūsu laboratorijai vēl nepieder visas šīs metodes, taču tās ir publicētas, tāpēc tas ir laika jautājums.
Audu inženierijā ir divas galvenās sastāvdaļas. Tās ir šūnas un vide, kurā tām jāaug. Pieņemsim, ka mēs jau zinām, kā izgatavot muskuļu šūnu un sirds muskuļa šūnu, kas atšķiras no parastā muskuļa, kā arī ādas un aknu šūnas no cilmes šūnas. Bet ar to nepietiek, viņiem ir vajadzīga dzīvotne. Un ne tikai šķidra barotne, bet trīsdimensiju telpa, kurā šūnas var augt, lai radītu mākslīgos audus. Nepieciešams arī īpašs šūnu nesējs, tā sauktā matrica. Lai izveidotu matricas, tiek izmantoti bioloģiski inerti materiāli, no kuriem viens ir kolagēns. Pēdējos piecos sešos gados ir plaši attīstīta dabisko vai, kā tos mēdz dēvēt, bezšūnu matricu veidošana. Es paskaidrošu, kas tas ir. Katram no mūsu audiem, katram mūsu orgānam ir sava arhitektūra. Pētījumi, kas veikti lielākajos zinātniskajos centros ASV un Japānā, ir parādījuši, ka ir iespējams paņemt orgānu un nomazgāt to no visām šūnām, vienlaikus saglabājot tā arhitektūru. Galvenais ir nodrošināt apstākļus, kādos iepriekš sagatavotais šķīdums, kura galvenā sastāvdaļa ir mazgāšanas līdzeklis (ziepes), plūst cauri visiem traukiem, kas baro šo orgānu, izšķīdinot šūnu membrānas un atstājot tikai olbaltumvielu mugurkaulu. Lai pārliecinātos, ka arī mēs to varam, paņēmām žurkas sirdi, apstrādājām to ar mazgāšanas līdzekļa šķīdumu, un eksperimenta beigās palika tikai rāmis - marmora sirds. Ir saglabāta visa ērģeļu arhitektūra, un tās ir būvētas no olbaltumvielām. Ziepes, kā jūs zināt, neietekmē olbaltumvielas. Šūnas, kuras pēc tam tiek izraktas no iekšpuses, iestrēgst šajā jau salocītajā sirdī, rada savu atgriezenisko saiti un sirds sāk strādāt.
Protams, tagad ir nākušas jaunas tehnoloģijas, attīstās biodruka, tā saucamā 3D druka, kas ļauj izdrukāt matricu vai sirdi. Bet šim printerim ir jāpiešķir īpaša dārga "tinte". Nederēs arī no papīra taisīt, matrica neturēsies. Lai tas noturētos, ir nepieciešams izolēt vai sintezēt specializētus proteīnus, galvenokārt kolagēnus, kas veido jebkura orgāna arhitektūru. Mūsu apstākļos tas ir ļoti dārgs uzdevums, vieglāk iegūt bezšūnu orgānu. Bet pieņemsim, ka mēs to visu savācām un pārstādījām, piemēram, uzlikām plāksteri uz ādas, bet te varam saskarties ar klasisko transplantācijas problēmu – atgrūšanu. Tāpēc mēs esam laboratorija ne tikai audu inženierijai, bet arī imunoloģijai.
Teorētiski jebkura organisma visas šūnas ir līdzīgas un atšķiras tikai virsmas molekulās, kuras kodē konkrētai imūnsistēmai zināmas molekulas. Ja šīs molekulas tiek izskalotas kopā ar šūnām, kas tās nes, tad teorētiski matricai nevajadzētu izraisīt imūnreakciju organismā. Bet neviens vēl nav veicis šo pētījumu.
Nākamais solis ir noteikt visvieglāk pieejamās, lētas, bet strādājošas matricas. Šis ir otrais mūsu pētniecības darbības virziens. Mēs cenšamies apvienot abus virzienus, lai izpētītu audu reģenerācijas fundamentālos aspektus. Dažkārt tiek uzskatīts, ka fundamentālā zinātne neatbilst realitātei, taču mūsu laboratorijas pētījumu rezultātiem ir īpašs pielietojums. Audu fragmenti, kas audzēti galvenokārt no ādas, visvieglāk iesakņojas transplantācijas laikā. ASV, Japānā, Eiropā tos plaši izmanto apdegumu, plastisko ķirurģiju u.c., kas galu galā tiks darīts arī pie mums. Bet tas būs ārpus akadēmiskās organizācijas.
- Armēnijas zinātne tiek finansēta pēc atlikuma principa. Jaunas imunoloģijas un audu inženierijas laboratorijas izveide prasa ievērojamus ieguldījumus. Kā tas darbojās?
Protams, jums ir jātiek ārā. Ideja par laboratorijas izveidi radās, pateicoties Fizioloģijas institūta iniciatīvai un sadarbībai ar universitāti. Džordžs Vašingtons ASV, kur es palieku nodaļas loceklis. Amerikāņu līdzstrādnieki palīdz ar visu iespējamo, viņi dalās ar aprīkojumu un reaģentiem. Šīs augstskolas kardiofizioloģijas laboratorijas vadītāja, pasaulslavena zinātniece un mūsu tautiete, profesore Narine Sarvazjana, kura ir ieinteresēta, lai šeit viss notiktu, palīdz ne tikai finansiāli, bet arī intelektuāli. Apspriežam idejas, meklējam variantus, kā gūt rezultātus ar ļoti pieticīgām finansiālajām iespējām. Dažreiz viņa pat atkārto mūsu eksperimentu savā laboratorijā, lai uzlabotu rezultātu. Šūnu audzēšanai izmantojam vecu padomju tipa inkubatoru. Institūts mums piešķīra divus datorus, izremontētas telpas, iedalīja laboratorijas, sagādāja pāris vecas sterilas kastes, lai arī ne vajadzīgā līmenī, tāpēc bieži izmantojam Naira Ayvazyan laboratorijas aprīkojumu, ar kuru aktīvi sadarbojamies. Iegādāts ledusskapis. Kas attiecas uz aprīkojumu, mums joprojām ir daudz problēmu, un īpaši nepieciešami jauni instrumenti. Ierīces trūkuma dēļ plūsmas citometrs nespēj produktīvi sadarboties ar mūsu līdzstrādnieku Avangard kosmētikas centru Avanā. Bet mēs paplašinām kontaktus un pētniecības iespējas.
Mani draugi, Maskavas biologi, man apliecināja, ka šūnas ir kaprīzas dāmas, un ar viņiem ir jārunā, pretējā gadījumā viņi apvainosies un pārtrauks augt. Šūnas parasti ir izolētas no mātītēm, tās ir jāmīl. No rīta ierodoties laboratorijā, jāiet uz inkubatoru un jānovēl šūnām labrīt, jāpasaka kaut kas jauks, jāparunā. Tu smejies, bet tā ir taisnība. Universitātē. Džordžs Vašingtons, man bija kolēģis, kurš ignorēja šo noteikumu, un viņa šūnas neauga. Viņam bija jāuzliek par pienākumu saviem absolventiem katru rītu nākt uz inkubatoru un izteikt kamerām komplimentus. Turklāt būrim ir nepieciešama mūsu aizsardzība. Izņemot šūnu no organisma, mēs tai atņemam imunitāti, tagad tā paļaujas tikai uz mums un sterilu aprīkojumu. Sterilitāte, kas mums jānodrošina, ķirurgi pat nesapņoja.
– Ar ko vēl laboratorija sadarbojas?
Institūta ietvaros mēs sadarbojamies ar Nairas Ayvazyan un Armen Voskanyan laboratorijām. Viņi savus pētījumus veic bioķīmiskā līmenī jeb sintētiskos substrātos - atdala taukus, veido no tiem mākslīgu šūnas līdzību, veido pūslīšus un pēta dažādu toksīnu ietekmi uz tiem. Labāk to darīt augošajām šūnām. Tāpēc vēl viens laboratorijas darbības virziens ir mūsu endēmisko indes ietekmes uz aktīvi augošām šūnām izpēte. Nav svarīgi, vai tas ir vēzis, embrija vai sirds šūnas. Nezinot indes darbības molekulāro fizioloģiju, nezinot molekulāro mehānismu, ir grūti izveidot specifisku pretlīdzekli. Tikai saprotot, kura molekula ietekmē šo mehānismu, var piemērot pretlīdzekli. Tāpēc ir jāatbild uz jautājumu, kāpēc tieši šī molekula tika ņemta molekulārā līmenī.
- Biotehnoloģija ir ļoti dārga zinātne, bet parasti stipendijas palīdz zinātniekiem...
Saņēmām grantu no Valsts zinātnes komitejas, tas ir paredzēts diviem gadiem. Taču summa nav īpaši nozīmīga. Cerējām saņemt arī ISTC grantu. Izveidojām sadarbību ar kolēģiem no Kazahstānas, kur tagad atrodas ISTC, izveidojām savienojumu, bet tas neizdevās. Kāpēc nezināt. Atsauksmes nav. Un mēs rēķinājāmies ar šo naudu.
Pēdējā laikā visā pasaulē ir novērota satraucoša tendence, kas izpaužas kā slimību un darbspējas vecuma cilvēku invaliditātes pieaugums, kas steidzami prasa jaunu, efektīvāku un pieejamāku metožu izstrādi un ieviešanu klīniskajā praksē. pacientu atjaunojoša ārstēšana.
Viena no šīm metodēm kopā ar implantāciju un transplantāciju ir audu inženierija. Šūnu un audu inženierija – ir jaunākais sasniegums molekulārās un šūnu bioloģijas jomā. Šī pieeja ir pavērusi plašas perspektīvas efektīvu biomedicīnas tehnoloģiju radīšanai, kas ļauj atjaunot bojātos audus un orgānus un ārstēt vairākas smagas cilvēka vielmaiņas slimības.
Audu inženierijas mērķis ir dzīvu, funkcionālu audu vai orgānu konstruēšana un kultivēšana ārpus cilvēka ķermeņa turpmākai transplantācijai pacientam, lai aizstātu vai stimulētu bojāta orgāna vai audu reģenerāciju. Citiem vārdiem sakot, defekta vietā ir jāatjauno trīsdimensiju audu struktūra.
Parastie implanti, kas izgatavoti no inertiem materiāliem, var novērst tikai bojāto audu fiziskos un mehāniskos defektus, atšķirībā no inženierijas audiem, kas cita starpā atjauno bioloģiskās (vielmaiņas) funkcijas. Tas nozīmē, ka audi tiek atjaunoti, nevis vienkārši aizstāti ar sintētisku materiālu.
Taču, lai izstrādātu un pilnveidotu uz audu inženieriju balstītas rekonstruktīvās medicīnas metodes, ir nepieciešams apgūt jaunus augsti funkcionālus materiālus. Šiem materiāliem, ko izmanto bioimplantu radīšanai, audu inženierijas struktūrām ir jāpiešķir dzīviem audiem raksturīgās īpašības. Starp šīm īpašībām:
- 1) spēja pašatdziedināties;
- 2) spēja uzturēt asins piegādi;
- 3) spēja mainīt struktūru un īpašības, reaģējot uz vides faktoriem, tostarp mehānisko spriegumu.
Vissvarīgākais veiksmes elements ir vajadzīgā skaita funkcionāli aktīvo šūnu pieejamība, kas spēj diferencēt, uzturēt atbilstošu fenotipu un veikt noteiktas bioloģiskās funkcijas. Šūnu avots var būt ķermeņa audi un iekšējie orgāni. Ir iespējams izmantot atbilstošas šūnas no pacienta, kuram nepieciešama rekonstruktīvā terapija, vai no tuva radinieka (autogēnās šūnas). Var izmantot dažādas izcelsmes šūnas, ieskaitot primārās un cilmes šūnas. Primārās šūnas ir noteikta audu nobriedušas šūnas, kuras var paņemt tieši no donora organisma (ex vivo) ar operācijas palīdzību. Ja primārās šūnas tiek ņemtas no noteikta donora organisma un pēc tam šīs šūnas tajā jāiestāda kā recipients, tad implantēto audu atgrūšanas varbūtība tiek izslēgta, jo pastāv maksimālā iespējamā primāro šūnu imunoloģiskā saderība. un saņēmējs. Tomēr primārās šūnas, kā likums, nespēj dalīties - to reprodukcijas un augšanas potenciāls ir zems. Kultivējot šādas šūnas in vitro (ar audu inženierijas palīdzību), dažiem šūnu veidiem ir iespējama dediferenciācija, tas ir, specifisku, individuālu īpašību zudums. Piemēram, hondrocīti, kas ievadīti kultūrā ārpus ķermeņa, bieži rada šķiedrainus, nevis caurspīdīgus skrimšļus.
Tā kā primārās šūnas nespēj dalīties un var zaudēt savas specifiskās īpašības, šūnu inženierijas tehnoloģiju attīstībai ir nepieciešami alternatīvi šūnu avoti. Cilmes šūnas ir kļuvušas par šādu alternatīvu.
Cilmes šūnas ir nediferencētas šūnas, kurām ir spēja sadalīties, pašatjaunoties un diferencēties dažāda veida specializētās šūnās specifisku bioloģisku stimulu ietekmē.
Cilmes šūnas ir sadalītas "pieaugušajās" un "embrionālajās". Embrionālās cilmes šūnas tiek iegūtas no agrīnas embrija attīstības iekšējās šūnu masas, savukārt pieaugušo cilmes šūnas tiek iegūtas no pieauguša cilvēka audiem, nabassaites vai pat augļa audiem. Tomēr pastāv ētiska problēma, kas saistīta ar cilvēka embrija neizbēgamu iznīcināšanu, iegūstot embrionālās cilmes šūnas. Tāpēc vēlams "izvilkt" šūnas no pieauguša organisma audiem. Piemēram, 2007. gadā Shinya Yamanaka no Japānas Kioto universitātes atklāja inducētas pluripotentas cilmes šūnas (iPSC), kas iegūtas no cilvēka iekšējiem audiem (galvenokārt ādas). IPSC piedāvā patiesi vēl nebijušas iespējas reģeneratīvajai medicīnai, lai gan vēl ir daudz problēmu, kas jāatrisina, pirms tās nopietni nonāk medicīnas praksē.
Organizācijas virzīšanai, šūnu augšanas un diferenciācijas atbalstam bojāto audu rekonstrukcijas procesā ir nepieciešams īpašs šūnu nesējs - matrica, kas ir sūklim vai pumekam līdzīgs trīsdimensiju tīkls. To veidošanai tiek izmantoti bioloģiski inerti sintētiskie materiāli, materiāli uz dabīgo polimēru bāzes (hitozāns, algināts, kolagēns) un biokompozīti. Piemēram, kaulu audu ekvivalentus iegūst, virzot kaulu smadzeņu, nabassaites asiņu vai taukaudu cilmes šūnu diferenciāciju osteoblastos, kas pēc tam tiek uzklāti uz dažādiem materiāliem, kas atbalsta to dalīšanos (piemēram, donora kauls, kolagēna matricas utt.).
Līdz šim viena no audu inženierijas stratēģijām ir šāda:
- 1) pašu vai donora cilmes šūnu selekcija un audzēšana;
- 2) speciāla šūnu nesēja (matricas) izstrāde uz bioloģiski saderīgu materiālu bāzes;
- 3) šūnu kultūras uzklāšana uz matricas un šūnu pavairošana bioreaktorā ar īpašiem kultivēšanas apstākļiem;
- 4) audu inženierijas struktūras tieša ievadīšana skartā orgāna zonā vai iepriekšēja ievietošana zonā, kas ir labi apgādāta ar asinīm nobriešanai un mikrocirkulācijas veidošanai struktūras iekšpusē (sagatavošana).
Matricas pilnībā izzūd pēc kāda laika pēc implantācijas saimniekorganismā (atkarībā no audu augšanas ātruma), un defekta vietā paliek tikai jauni audi. Ir iespējams arī ieviest matricu ar jau daļēji izveidotiem jauniem audiem ("biokompozītu"). Protams, pēc implantācijas audu inženierijas struktūrai ir jāsaglabā sava struktūra un funkcijas pietiekami ilgu laiku, lai atjaunotu normāli funkcionējošus audus defekta vietā un integrētos ar apkārtējiem audiem. Bet diemžēl vēl nav izveidotas ideālas matricas, kas atbilstu visiem nepieciešamajiem nosacījumiem.
Daudzsološās audu inženierijas tehnoloģijas ir pavērušas iespēju laboratoriski izveidot dzīvus audus un orgānus, taču zinātne joprojām ir bezspēcīga pirms sarežģītu orgānu radīšanas. Taču salīdzinoši nesen zinātnieki doktora Gintera Tovara vadībā no Fraunhofera biedrības Vācijā ir panākuši milzīgu izrāvienu audu inženierijas jomā – viņi ir izstrādājuši tehnoloģiju asinsvadu radīšanai. Bet šķita, ka nav iespējams mākslīgi izveidot kapilāru struktūras, jo tām jābūt elastīgām, elastīgām, mazas formas un tajā pašā laikā mijiedarbojas ar dabiskajiem audiem. Savādi, bet palīgā nāca ražošanas tehnoloģijas - ātras prototipēšanas (citiem vārdiem sakot, 3D drukāšanas) metode. Saprotams, ka sarežģīts trīsdimensiju modelis (mūsu gadījumā asinsvads) tiek drukāts uz trīsdimensiju tintes printera, izmantojot īpašu "tinti".
Printeris uzklāj materiālu slāņos, un noteiktās vietās slāņi tiek ķīmiski savienoti. Tomēr mēs atzīmējam, ka mazākajiem kapilāriem trīsdimensiju printeri vēl nav pietiekami precīzi. Šajā sakarā tika izmantota polimēru rūpniecībā izmantotā daudzfotonu polimerizācijas metode. Īsi intensīvi lāzera impulsi, kas apstrādā materiālu, uzbudina molekulas tik spēcīgi, ka tās mijiedarbojas viena ar otru, savienojoties garās ķēdēs. Tādējādi materiāls polimerizējas un kļūst ciets, bet elastīgs, kā dabiskie materiāli. Šīs reakcijas ir tik ļoti kontrolējamas, ka ar tām var izveidot mazākās struktūras pēc trīsdimensiju "zīmējuma".
Un, lai izveidotie asinsvadi varētu savienoties ar ķermeņa šūnām, trauku izgatavošanas laikā tajos tiek integrētas modificētas bioloģiskās struktūras (piemēram, heparīns) un "enkura" proteīni. Nākamajā posmā endotēlija šūnas (viens plakanu šūnu slānis, kas klāj asinsvadu iekšējo virsmu) tiek fiksētas izveidoto "kanāliņu" sistēmā, lai asins komponenti nepieliptu pie asinsvadu sistēmas sieniņām, bet būtu brīvi. transportēts caur to.
Tomēr paies zināms laiks, pirms varēs implantēt laboratorijā audzētus orgānus ar saviem asinsvadiem.
2008. gada rudenī Barselonas Universitātes (Spānija) un Hannoveres Medicīnas skolas (Vācija) klīnikas vadītājs profesors Paolo Makjarīni (Paolo Makjarīni) veica pirmo veiksmīgo trahejas bioinženierijas ekvivalenta transplantāciju pacientam ar galvenā kreisā bronha stenozi uz 3 cm.
Par topošā transplantāta matricu tika ņemts 7 cm garas līķa trahejas segments.Lai iegūtu dabisku matricu ar īpašībām, kas ir augstākas par visu, ko var izgatavot no polimēru caurulēm, traheja tika attīrīta no apkārtējiem saistaudiem, donoru šūnām, un histokompatibilitātes antigēni. Attīrīšana sastāvēja no 25 devitalizācijas cikliem, izmantojot 4% nātrija deoksiholātu un dezoksiribonukleāzi I (process ilga 6 nedēļas). Pēc katra devitalizācijas cikla tika veikta audu histoloģiskā izmeklēšana, lai noteiktu atlikušo kodolu šūnu skaitu, kā arī imūnhistoķīmisks pētījums par histokompatibilitātes antigēnu HLA-ABC, HLA-DR, HLA-DP un HLA- klātbūtni. DQ audos. Izmantojot pašu izstrādātu bioreaktoru, zinātnieki ar šļirci vienmērīgi uzklāja šūnu suspensiju uz lēni rotējoša trahejas gabala virsmas. Pēc tam transplantāts, daļēji iegremdēts barotnē, pagriezās ap savu asi, lai pārmaiņus nonāktu saskarē ar šūnām ar barotni un gaisu.