Frontiers for Young Minds

Abstract

organer og væv i menneskekroppen er ret modstandsdygtige over for slid i det daglige menneskeliv, men de kan stadig mislykkes af mange grunde. Regenerativ medicin er et felt, der udforsker nye værktøjer til reparation og udskiftning af beskadigede organer og væv. Regenerativ medicin omfatter en bred vifte af behandlinger; for eksempel stamcelleterapi og biomaterialer. Biomaterialer er materialer, der er lavet til at interagere med den menneskelige krop. De kan designes med mange forskellige materialer til forskellige anvendelser og kan fremstilles strukturelt svarende til det organ eller væv, der skal repareres. Biomaterialeområdet udvikler sig konstant, og når vi fortsætter med at lære mere om interaktionerne mellem biomaterialer og kroppen på cellulært niveau, udvikles flere og flere biomaterialebehandlinger.

biomaterialer: byggesten til vævsreparation

organer og væv i den menneskelige krop har meget specifikke, komplicerede funktioner. Vores liv afhænger af, at disse organer fungerer korrekt og døgnet rundt. Imidlertid er organer og væv undertiden beskadiget og kan svigte på grund af sygdomme eller ulykker. Der er mange medicinske terapier, der kan hjælpe med at behandle beskadigede organer, men mange mangler stadig evnen til at reparere organet, så det genvinder fuld funktion. For eksempel forbedrer nuværende behandlinger ikke rigtig hjertefunktionen efter et hjerteanfald.

regenerativ medicin er et forskningsfelt, der giver nye værktøjer til reparation af svigtende organer og udskiftning af beskadigede væv . Regenerativ medicin bruger noget kaldet vævsteknik til at designe nye strategier til reparation af beskadigede organer og væv. Vævsteknik betyder at bruge Biologi, Kemi og teknik til at fremstille nye materialer, der er kompatible med den menneskelige krop og kan bruges til at fikse eller erstatte organer og væv . Der er en bred vifte af terapier inkluderet inden for Regenerativ Medicin, hvor biomaterialer er et af de mere almindeligt anvendte værktøjer. Biomaterialer er som Lego-klodser og er blevet brugt til at reparere væv og organer, såsom hjerte, hud, hornhinde og nervesystem . Biomaterialer er materialer, der skal indsættes i kroppen for at erstatte eller reparere beskadigede organer eller væv. Biomaterialer har ofte særlige egenskaber, der gør det muligt for dem at være i kontakt med humane celler, væv og organer uden at blive afvist af kroppen. Bioengineering er navnet på det felt, der skaber og bruger biomaterialer til at forbedre de nuværende medicinske behandlinger .

regenerativ medicin bruger også en række forskellige måder at anvende sine terapier på, så de kan arbejde effektivt. Regenerative terapier kan omfatte: (1) celleterapi ved hjælp af stamceller, som er umodne celler, der potentielt kan blive eller producere enhver celle eller væv, der er nødvendigt, (2) bioengineering ved hjælp af biomaterialer, som vi har beskrevet her, og (3) medicin og lægemiddelbehandlinger . Efterhånden som regenerativ medicin ændres, ændres måderne, hvorpå behandlingerne anvendes, ofte ved at kombinere eksisterende metoder eller lave nye, der er mere egnede til behandlingen. Biomaterialer, bioengineering og regenerativ medicin fører i øjeblikket vejen for nye medicinske terapier, især til reparation af organer, der tidligere har anset for at være uoprettelige.

historien om biomaterialer

biomaterialer er forbedret markant, siden de først blev udviklet, og de ændrer sig stadig, da forskere fortsat forstår mere om sygdomme og hvordan biomaterialerne interagerer med kroppen . Biomaterialer kan oprettes fra en række forskellige materialer, afhængigt af hvad de vil blive brugt til . For eksempel kan de fremstilles af forskellige typer naturlige komponenter, såsom kollagen, der findes i kroppen eller alginatet, der kommer fra tang, syntetiske materialer, såsom metal eller en kombination . De tidligste biomaterialer interagerede ikke med den menneskelige krop, men de havde lignende fysiske egenskaber som de beskadigede organer, de blev brugt til at reparere eller udskifte. Disse materialer blev ofte skabt af forskellige metaller, keramik eller stoffer, såsom gummi. Disse tidlige biomaterialer blev ofte brugt som proteser, som er kunstige kropsdele såsom et ben eller et hjerte, men de havde dårlig kambarhed med kroppen, så de ofte blev afvist. Disse tidlige materialer kunne ikke interagere med kroppen på cellulært niveau, hvilket er, hvad nutidens biomaterialer sigter mod at gøre. Fremskridt i udviklingen af nye biomaterialer har ført til materialer, der kan interagere med kroppen for at fremme heling og regenerering. Disse nyere biomaterialer blev betragtet som bioaktive, hvilket betyder, at de kunne interagere med kroppen og danne kemiske bindinger med væv. Dette ses i hofteimplantater, der fremmer knoglevækst, som tillader et calciumlag, kaldet hydroksyapatit, at vokse på implantatet. De nyeste biomaterialer, kendt som tredje generationens biomaterialer, er lavet til at interagere med kroppen og forårsage et specifikt respons fra celler i kroppen. Tredje generationens biomaterialer kan også efterligne kroppens naturlige 3D-struktur og stimulere vævsregenerering (genvækst) . Forskere har forbedret biomaterialer enormt, og de fortsætter med at arbejde på dem og ændrer materialernes egenskaber til at fungere mere effektivt i patienternes kroppe.

hvilken form tager biomaterialer?

biomaterialer kan antage mange forskellige former og fremstilles af mange forskellige materialer. Ideelt set bør biomaterialer have en porøs struktur, hvilket betyder, at de har små huller, der lader gasser, væsker og endda celler bevæge sig gennem dem, svarende til det organ eller væv, de sigter mod at helbrede. Celler, der hjælper med heling, kan også indlæses i de små porer i biomaterialet . På denne måde kan et porøst biomateriale bruges til at levere celler til et beskadiget væv. Biomaterialet hjælper med at holde de nye celler i vævet, hvor de er nødvendige for at fremme heling. Derudover er biomaterialets porøse struktur meget som den “ekstracellulære matrice”, som er som stilladset, som cellerne” holder fast i ” i kroppen . Biomaterialer kan enten bruges af sig selv som en behandling, eller som eksemplet ovenfor kan de modificeres til at indeholde medicin eller celler for at hjælpe med at reparere beskadigede væv (Figur 1). For eksempel kan biomaterialer bruges til at hjælpe med at helbrede og reparere hjertet efter et hjerteanfald. De kan bruges alene, eller de kan indeholde stamceller, som er celler, der har evnen til at blive forskellige typer celler, herunder hjerteceller. Nogle biomaterialer kan være parat til at bryde ned, når helingen er afsluttet . Biomaterialer kan også laves for at frigive visse lægemidler, der kan hjælpe i helingsprocessen . Den fremtidige udvikling inden for biomaterialer kan føre til produktion af mange nye terapier, herunder kunstige organer. Dette ville fjerne den lange venteliste for organtransplantationer.

Figur 1-biomaterialer til reparation af væv og organer.
  • Figur 1-biomaterialer til reparation af væv og organer.
  • biomaterialer kan indeholde celler (øverst) eller bruges af sig selv i patienten (nederst). Efter en helingstid kan begge typer biomaterialer hjælpe det beskadigede væv med at genvinde sine sunde funktioner og egenskaber.

biomaterialer kan hjælpe med at helbrede ikke-helbredende organer

organer fejler af mange forskellige årsager, ofte på grund af en kombination af faktorer. Hjertet er et af de mest almindelige organer, der fejler, og et af de sværeste at helbrede. Kardiovaskulær sygdom (CVD) er et udtryk, der bruges til sygdomme, der påvirker hjertet og blodkarrene. Patienter med CVD risikerer at få hjerteanfald, hvilket kan forårsage betydelig skade på hjertet og hjertecelledød . Denne skade fører til tab af hjertets muskel, som består af bankende celler kaldet “kardiomyocytter.”Tabet af kardiomyocytter nedsætter hjertets evne til at pumpe blod gennem hele kroppen . Vi plejede at tro, at kardiomyocytter ikke var i stand til at regenerere. Det blev imidlertid for nylig opdaget, at kardiomyocytter har en vis evne til at regenerere . Mens vi stadig lærer om den menneskelige krops regenerative evner, er mange organer, som hjertet, langsomme til at heles, hvilket gør enhver skade på disse organer vanskelig at behandle. Transplantation er en mulighed for at erstatte et beskadiget væv eller organ. Der er dog en alvorlig mangel på organer til rådighed til transplantation. I Canada dør omkring fem patienter hver uge og venter på en organtransplantation . Som et alternativ til organtransplantation, regenerativ medicin viser løfte som en terapi til at reparere hjertet, og andre langsomt helende organer, som vist i figur 2.

figur 2-regenerativ medicin til hjertet.
  • figur 2-regenerativ medicin til hjertet.
  • som alternativer til hjertetransplantation omfatter regenerative terapier til hjertet celleterapi ved hjælp af voksne stamceller (øverst til venstre), biomaterialer (øverst til højre) og farmakologiske (lægemidler) interventioner (nederst).

Men Vent … Er Der Nogen Begrænsninger?

selvom biomaterialer viser meget løfte, er de stadig en udviklende terapi; deres fulde potentiale er endnu ikke udforsket. Nogle begrænsninger af biomaterialer har at gøre med, hvordan de interagerer med patientens krop. For eksempel, mens biomaterialer er i stand til at efterligne 3D-miljøet i det organ eller væv, de reparerer, er biomaterialerne stadig forskellige fra det faktiske organ, og dette kan begrænse vævsregenerering. For eksempel skal biomaterialer placeret i hjertet være i stand til at indgå kontrakt med det bankende hjerte, eller de kan forårsage uregelmæssige hjerteslag . Tidligere har biomaterialer ikke tilladt nok ilt at strømme gennem hjertet for at holde det sundt . Sidst, indtil nu, har biomaterialer kun været i stand til at reparere et område omkring en fjerdedel af hjertets størrelse, så i tilfælde af et stort hjerteanfald, der skader mere af hjertet, er de ikke så nyttige . Som forskere fortsætter med at lære om de underliggende årsager til sygdomme, vil de være i stand til at udvikle nye biomaterialer til behandling af flere sygdomme. Derudover udvikler biomaterialerne sig stadig, hvilket forhåbentlig vil føre til materialer, der med succes kan behandle en lang række sygdomme.

andre begrænsninger af biomaterialer er ikke så meget fysiske, men involverer spørgsmål om etik (moralske værdier og regler) og lovene omkring deres anvendelse. Der er etiske bekymringer om typen af anvendte materialer, og hvor de kommer fra, for eksempel, er det etisk at bruge materialer taget fra mennesker til at fremstille disse materialer?

for det andet kan det være vanskeligt at regulere biomaterialer for at sikre, at de er sikre for patienter, fordi der er en så bred vifte af biomaterialer, der er lavet af forskellige komponenter og brugt til forskellige formål. Vi har brug for bedre måder at sikre, at disse nye terapier er effektive til at regenerere beskadigede organer og væv på en måde, der ikke skader patienten.

konklusion

der er gjort betydelige fremskridt inden for biomaterialer og regenerativ medicin, men der er stadig mange fremskridt, der kan gøres. Den næste generation af forskere skal fortsætte med at lære om og forstå interaktionerne mellem den menneskelige krop og biomaterialer for at udvikle nye, mere effektive terapier.

ordliste

regenerering: vokse igen.

porøs: Små huller, der tillader luft, væsker og endda celler at passere igennem.

interessekonflikt Erklæring

forfatterne erklærer, at forskningen blev udført i mangel af kommercielle eller økonomiske forhold, der kunne fortolkes som en potentiel interessekonflikt.

anerkendelser

EA og ES takker alle de praktikanter, der havde arbejdet i deres laboratorier, som havde været nøglen til at udvikle nye materialer til orgelreparation og havde også bidraget til bedre at forstå de underliggende celle-biomaterialeinteraktioner. Forfatterne vil også gerne takke støtten fra de Canadiske finansieringsbureauer NSERC (EA), CIHR (EA og ES) samt til University of Southern Heart Institute. CL takker et Dronning Elisabeth II-stipendium for M.Sc.undersøgelser.

Steinhauser, M. L. og Lee, R. T. 2011. Regenerering af hjertet. EMBO Mol. Middelhavs. 3:701–12. doi: 10.1002 / emmm.201100175

Chaudhuri, R., Ramachandran, M., Moharil, P., Harumalani, M. Og Jaisval, A. K. 2017. Biomaterialer og celler til hjertevævsteknik: nuværende valg. Mater. Sci. Eng. 79:950-7. doi: 10.1016 / j. msec.2017.05.121

Bhat, S., og Kumar, A. 2013. Biomaterialer og bioengineering morgendagens sundhedsvæsen. Biomatter 3: e24717. doi: 10.4161 / biom.24717

Kanon, B. 2013. Kardiovaskulær sygdom: biokemi til adfærd. Natur 493: S2-S3. doi: 10.1038 / 493s2a

blod -, organ-og Vævsdonation: Canada.ca (2018). Tilgængelig online på: https://www.canada.ca/en/public-health/services/healthy-living/blood-organ-tissue-donation.html#a32

Skriv et svar

Din e-mailadresse vil ikke blive publiceret.