Frontiers for Young Minds

Streszczenie

narządy i tkanki w ludzkim ciele są dość odporne na zużycie codziennego życia ludzkiego, ale nadal mogą zawieść z wielu powodów. Medycyna regeneracyjna to dziedzina, która bada nowe narzędzia do naprawy i wymiany uszkodzonych narządów i tkanek. Medycyna regeneracyjna obejmuje szeroki wachlarz zabiegów; na przykład terapia komórkami macierzystymi i biomateriały. Biomateriały to materiały stworzone do interakcji z ludzkim ciałem. Mogą być zaprojektowane z wielu różnych materiałów do różnych zastosowań i mogą być strukturalnie podobne do organu lub tkanki, które wymagają naprawy. Dziedzina biomateriałów stale się rozwija i w miarę zdobywania wiedzy na temat interakcji biomateriałów z ciałem na poziomie komórkowym, opracowuje się coraz więcej metod leczenia biomateriałów.

biomateriały: elementy budulcowe do naprawy tkanek

narządy i tkanki w organizmie człowieka mają bardzo specyficzne, skomplikowane funkcje. Nasze życie zależy od tych organów, aby działały poprawnie i przez całą dobę. Jednak czasami narządy i tkanki są uszkodzone i mogą się nie udać z powodu chorób lub wypadków. Istnieje wiele terapii medycznych, które mogą pomóc w leczeniu uszkodzonych narządów, ale wielu nadal brakuje zdolności do naprawy narządu tak, że odzyskuje pełną funkcję. Na przykład obecne zabiegi nie poprawiają funkcji serca po zawale serca.

medycyna regeneracyjna to dziedzina badań, która dostarcza nowych narzędzi do naprawy uszkodzonych narządów i wymiany uszkodzonych tkanek . Medycyna regeneracyjna wykorzystuje coś, co nazywa się inżynierią tkankową do projektowania nowych strategii naprawy uszkodzonych narządów i tkanek. Inżynieria tkankowa oznacza wykorzystanie biologii, chemii i inżynierii do tworzenia nowych materiałów, które są kompatybilne z ludzkim ciałem i mogą być używane do naprawy lub wymiany narządów i tkanek . W dziedzinie medycyny regeneracyjnej istnieje szeroki zakres terapii, a biomateriały są jednym z częściej stosowanych narzędzi. Biomateriały są jak klocki Lego® i zostały użyte do naprawy tkanek i narządów, takich jak serce, skóra, rogówka i układ nerwowy . Biomateriały to materiały przeznaczone do wprowadzenia do organizmu w celu zastąpienia lub naprawy uszkodzonych narządów lub tkanek. Biomateriały często mają specjalne właściwości, które pozwalają im kontaktować się z ludzkimi komórkami, tkankami i narządami bez odrzucania ich przez organizm. Bioinżynieria to nazwa dziedziny, która tworzy i wykorzystuje biomateriały do poprawy obecnych metod leczenia.

medycyna regeneracyjna również wykorzystuje różne sposoby stosowania swoich terapii, aby mogły skutecznie działać. Terapie regeneracyjne mogą obejmować: (1) terapię komórkową przy użyciu komórek macierzystych, które są niedojrzałymi komórkami, które mogą potencjalnie stać się lub produkować dowolną komórkę lub tkankę, (2) bioinżynierię przy użyciu biomateriałów, jak opisaliśmy tutaj, oraz (3) leki i leczenie farmakologiczne . Wraz ze zmianami medycyny regeneracyjnej zmienia się również sposób stosowania zabiegów, często poprzez łączenie istniejących metod lub tworzenie nowych, które są bardziej odpowiednie do leczenia. Biomateriały, bioinżynieria i medycyna regeneracyjna są obecnie wiodącymi drogami dla nowych terapii medycznych, zwłaszcza do naprawy narządów, które wcześniej uważano za niemożliwe do naprawienia.

Historia biomateriałów

biomateriały znacznie się poprawiły od czasu ich pierwszego opracowania i nadal się zmieniają, ponieważ naukowcy nadal rozumieją więcej na temat chorób i interakcji biomateriałów z ciałem . Biomateriały mogą być tworzone z różnych materiałów, w zależności od tego, do czego będą używane . Na przykład, mogą być wykonane z różnych rodzajów naturalnych składników, takich jak kolagen, który znajduje się w organizmie lub alginian, który pochodzi z wodorostów, materiałów syntetycznych, takich jak metal, lub kombinacji . Najwcześniejsze biomateriały nie oddziaływały z ludzkim ciałem, ale miały podobne właściwości fizyczne do uszkodzonych narządów, które były używane do naprawy lub wymiany. Materiały te były często tworzone z różnych metali, ceramiki lub substancji, takich jak guma. Te wczesne biomateriały były powszechnie stosowane jako protezy, które są sztucznymi częściami ciała, takimi jak noga lub serce, ale miały słabą rozczesywalność z ciałem, więc często były odrzucane. Te wczesne materiały nie mogły wchodzić w interakcje z ciałem na poziomie komórkowym, co jest celem dzisiejszych biomateriałów. Postępy w opracowywaniu nowych biomateriałów doprowadziły materiały, które mogą wchodzić w interakcje z ciałem w celu promowania gojenia i regeneracji. Te nowsze biomateriały uznano za bioaktywne, co oznacza, że mogą wchodzić w interakcje z ciałem i tworzyć wiązania chemiczne z tkankami. Jest to widoczne w implantach stawu biodrowego, które pobudzają wzrost kości, co pozwala na wzrost warstwy wapnia, zwanej hydroksyapatytem, na implancie. Najnowsze biomateriały, znane jako biomateriały trzeciej generacji, są tworzone w celu interakcji z ciałem i wywołania specyficznej odpowiedzi od komórek w organizmie. Biomateriały trzeciej generacji mogą również naśladować naturalną strukturę 3D organizmu i stymulować regenerację tkanek (ponowny wzrost) . Naukowcy znacznie ulepszyli biomateriały i nadal nad nimi pracują, zmieniając właściwości materiałów, aby skuteczniej działać w ciałach pacjentów.

jaki kształt przybierają biomateriały?

biomateriały mogą przybierać różne formy i być wykonane z wielu różnych materiałów. Idealnie, biomateriały powinny mieć porowatą strukturę, co oznacza, że mają małe otwory, które pozwalają gazom, cieczom, a nawet komórkom poruszać się przez nie, podobnie jak narząd lub tkanka, którą mają leczyć. Komórki, które pomagają w gojeniu, mogą być również ładowane do małych porów w biomateriale . W ten sposób porowaty biomateriał może być użyty do dostarczenia komórek do uszkodzonej tkanki. Biomateriał pomaga utrzymać nowe komórki w tkance, gdzie są potrzebne do promowania gojenia. Dodatkowo, porowata struktura biomateriału jest podobna do „macierzy zewnątrzkomórkowej”, która jest jak rusztowanie, które komórki” trzymają ” w ciele . Biomateriały mogą być stosowane same w sobie jako leczenie lub, jak w powyższym przykładzie, mogą być modyfikowane tak, aby zawierały lek lub komórki pomagające w naprawie uszkodzonych tkanek (ryc. 1). Na przykład biomateriały mogą być używane do leczenia i naprawy serca po zawale serca. Mogą być stosowane samodzielnie lub mogą zawierać komórki macierzyste, które są komórkami, które mają zdolność do stania się różnymi typami komórek, w tym komórkami serca. Niektóre biomateriały można przygotować do rozpadu po zakończeniu gojenia . Biomateriały mogą być również wykonane w celu uwolnienia niektórych leków, które mogą pomóc w procesie gojenia . Przyszły rozwój biomateriałów może doprowadzić do powstania wielu nowych terapii, w tym sztucznych narządów. Wyeliminowałoby to długą listę oczekujących na przeszczepy narządów.

ryc. 1-biomateriały do naprawy tkanek i narządów.
  • ryc. 1-biomateriały do naprawy tkanek i narządów.
  • biomateriały mogą zawierać komórki (Góra) lub być stosowane samodzielnie u pacjenta (dół). Po pewnym czasie gojenia oba rodzaje biomateriałów mogą pomóc uszkodzonej tkance odzyskać zdrowe funkcje i właściwości.

biomateriały mogą pomóc w leczeniu nieleczonych narządów

narządy zawodzą z wielu różnych powodów, często z powodu kombinacji czynników. Serce jest jednym z najczęściej zawodzących narządów i jednym z najtrudniejszych do wyleczenia. Choroba sercowo-naczyniowa (CVD) to termin używany do chorób, które wpływają na serce i naczynia krwionośne. Pacjenci z CVD są narażeni na atak serca, który może spowodować znaczne uszkodzenie serca i śmierć komórek serca . Uszkodzenie to prowadzi do utraty mięśnia serca, który składa się z bijących komórek zwanych ” kardiomiocytami.”Utrata kardiomiocytów zmniejsza zdolność serca do pompowania krwi w całym organizmie . Kiedyś wierzyliśmy, że kardiomiocyty nie są w stanie się zregenerować. Jednak niedawno odkryto, że kardiomiocyty mają pewną zdolność do regeneracji . Podczas gdy wciąż uczymy się o zdolnościach regeneracyjnych ludzkiego ciała, wiele narządów, takich jak serce, jest powolnych w gojeniu, co sprawia, że wszelkie uszkodzenia tych narządów są trudne do wyleczenia. Przeszczep jest opcją wymiany uszkodzonej tkanki lub narządu. Istnieje jednak poważny niedobór narządów dostępnych do przeszczepu. W Kanadzie co tydzień umiera około pięciu pacjentów czekających na przeszczep narządów . Jako alternatywa dla przeszczepu narządów, medycyna regeneracyjna jest obiecująca jako terapia mająca na celu naprawę serca i innych wolno gojących się narządów, jak pokazano na rysunku 2.

Rysunek 2 - medycyna regeneracyjna dla serca.
  • Rysunek 2 – medycyna regeneracyjna dla serca.
  • jako alternatywę dla przeszczepu serca, terapie regeneracyjne dla serca obejmują terapię komórkową z wykorzystaniem dorosłych komórek macierzystych (u góry po lewej), biomateriały (u góry po prawej) i interwencje farmakologiczne (leki) (u dołu).

Ale Czekaj … Czy Są Jakieś Ograniczenia?

chociaż biomateriały są obiecujące, nadal są rozwijającą się terapią; ich pełny potencjał nie został jeszcze zbadany. Niektóre ograniczenia biomateriałów mają związek z ich interakcją z ciałem pacjenta. Na przykład, podczas gdy biomateriały są w stanie naśladować środowisko 3D narządu lub tkanki, które naprawiają, biomateriały nadal różnią się od rzeczywistego narządu, co może ograniczyć regenerację tkanek. Na przykład biomateriały umieszczone w sercu muszą być w stanie kurczyć się z bijącym sercem lub mogą powodować nieregularne bicie serca . Ponadto w przeszłości biomateriały nie pozwalały na przepływ wystarczającej ilości tlenu przez serce, aby utrzymać je w zdrowiu . Wreszcie, do tej pory biomateriały były w stanie naprawić tylko obszar około jednej czwartej wielkości serca, więc w przypadku dużego zawału serca, który uszkadza więcej serca, nie są one tak przydatne . W miarę jak naukowcy będą nadal poznawać przyczyny chorób, będą mogli opracować nowe biomateriały do leczenia większej liczby chorób. Ponadto same biomateriały wciąż się rozwijają, co, miejmy nadzieję, doprowadzi do materiałów, które mogą skutecznie leczyć szeroki zakres chorób.

inne ograniczenia biomateriałów nie są tak fizyczne, ale dotyczą kwestii etyki (wartości i zasad moralnych) i praw dotyczących ich stosowania. Istnieją obawy etyczne dotyczące rodzaju użytych materiałów, a skąd pochodzą, na przykład, czy etyczne jest używanie materiałów pobranych od ludzi do ich wytwarzania?

po drugie, Regulacja biomateriałów, aby upewnić się, że są bezpieczne dla pacjentów, może być trudna, ponieważ istnieje tak szeroka gama biomateriałów, wykonanych z różnych składników i wykorzystywanych do różnych celów. Potrzebujemy lepszych sposobów zapewnienia, aby te nowe terapie były skuteczne w regeneracji uszkodzonych narządów i tkanek w sposób, który nie zaszkodzi pacjentowi.

wnioski

poczyniono znaczne postępy w dziedzinie biomateriałów i Medycyny Regeneracyjnej, ale wciąż można poczynić wiele postępów. Kolejne pokolenie naukowców musi nadal poznawać i rozumieć interakcje między ludzkim ciałem a biomateriałami, aby opracować nowe, bardziej skuteczne terapie.

Słowniczek

regeneracja: re-grow.

: Małe otwory umożliwiające przepływ powietrza, cieczy, a nawet komórek.

Oświadczenie o konflikcie interesów

autorzy oświadczają, że badanie zostało przeprowadzone przy braku jakichkolwiek relacji handlowych lub finansowych, które mogłyby być interpretowane jako potencjalny konflikt interesów.

podziękowania

EA i ES dziękują wszystkim stażystom, którzy pracowali w swoich laboratoriach, którzy byli kluczowi w opracowywaniu nowych materiałów do naprawy narządów, a także przyczynili się do lepszego zrozumienia leżących u ich podstaw interakcji komórka-biomateriał. Autorzy chcieliby również podziękować za wsparcie Kanadyjskich agencji finansujących NSERC (EA), CIHR (EA i ES), a także University of Ottawa Heart Institute. CL dzięki stypendium królowej Elżbiety II dla M.Sc.studia

Steinhauser, M. L., and Lee, R. T. 2011. Regeneracja serca. EMBO Mol. Med. 3:701–12. doi: 10.1002 / emmm.201100175

Chaudhuri, R., Ramachandran, M., Moharil, P., Harumalani, M., and Jaiswal, A. K. 2017. Biomateriały i komórki do inżynierii tkanek serca: aktualne wybory. Złomku. Sci. Inż. C 79:950-7. doi: 10.1016 / j.msec.2017.05.121

Biomateriały i bioinżynieria Opieka zdrowotna jutra. Biomateria 3: e24717. doi: 10.4161 / biom.24717

Choroby układu krążenia: biochemia do zachowania. Natura 493: S2-S3. doi: 10.1038 / 493s2a

pobranie krwi, narządów i tkanek: Canada.ca (2018) . Dostępny na stronie: https://www.canada.ca/en/public-health/services/healthy-living/blood-organ-tissue-donation.html#a32

Dodaj komentarz

Twój adres e-mail nie zostanie opublikowany.