Тканевая инженерия — это биомедицинская инженерная дисциплина, которая использует сочетание клеток , инженерии , методов использования материалов и подходящих биохимических и физико-химических факторов для восстановления, поддержания, улучшения или замены различных типов биологических тканей. Тканевая инженерия часто предполагает использование клеток, помещенных на тканевые каркасы, для формирования новой жизнеспособной ткани в медицинских целях, но не ограничивается применениями, включающими клетки и тканевые каркасы. Хотя когда-то это направление было отнесено к категории биоматериалов , с ростом масштабов и важности оно может рассматриваться как отдельная область. [1]
Хотя большинство определений тканевой инженерии охватывают широкий спектр применений, на практике этот термин тесно связан с применениями, которые восстанавливают или заменяют части или целые ткани (т.е. органы , кости , хрящи , [2] кровеносные сосуды , мочевой пузырь , кожу , мышцы и др.). Часто задействованным тканям для правильного функционирования требуются определенные механические и структурные свойства. Этот термин также применялся к усилиям по выполнению определенных биохимических функций с использованием клеток внутри искусственно созданной системы поддержки (например , искусственной поджелудочной железы или биоискусственной печени ). Термин «регенеративная медицина» часто используется как синоним тканевой инженерии, хотя те, кто занимается регенеративной медициной, уделяют больше внимания использованию стволовых клеток или клеток-предшественников для производства тканей.
Обычно применяемое определение тканевой инженерии, как заявили Лангер [3] и Ваканти, [4] — это « междисциплинарная область, которая применяет принципы инженерии и наук о жизни к разработке биологических заменителей, которые восстанавливают, поддерживают или улучшают [биологические ткань] функция или целый орган». [5] Кроме того, Лангер и Ваканти также заявляют, что существует три основных типа тканевой инженерии: клетки, тканеиндуцирующие вещества и подход «клетки + матрица» (часто называемый каркасом). Тканевую инженерию также определяют как «понимание принципов роста тканей и их применение для создания функциональной замены ткани для клинического использования». [6] Далее в описании говорится, что «основным предположением тканевой инженерии является то, что использование естественной биологии системы позволит добиться большего успеха в разработке терапевтических стратегий, направленных на замену, восстановление, поддержание или улучшение тканей». функция». [6]
Разработки в междисциплинарной области тканевой инженерии привели к появлению нового набора запасных частей для тканей и стратегий их реализации. Научные достижения в области биоматериалов , стволовых клеток, факторов роста и дифференцировки, а также биомиметических сред создали уникальные возможности для изготовления или улучшения существующих тканей в лаборатории из комбинаций спроектированных внеклеточных матриц («каркасов»), клеток и биологически активных молекул. Среди основных проблем, с которыми сейчас сталкивается тканевая инженерия, — необходимость более сложной функциональности, биомеханической стабильности и васкуляризации в выращенных в лаборатории тканях, предназначенных для трансплантации. [7]
Историческое происхождение этого термина неясно, поскольку определение этого слова изменилось за последние несколько десятилетий. Этот термин впервые появился в публикации 1984 года, в которой описывалась организация эндотелийподобной мембраны на поверхности давно имплантированного синтетического офтальмологического протеза. [8]
Первое современное использование этого термина, как оно признано сегодня, было в 1985 году исследователем, физиологом и биоинженером Юань-Ченг Фунгом из Центра инженерных исследований. Он предложил объединить термины ткань (в отношении фундаментальных взаимоотношений между клетками и органами) и инженерия (в отношении области модификации указанных тканей). Этот термин был официально принят в 1987 году. [8]
Элементарное понимание внутренней работы тканей человека может возникнуть гораздо раньше, чем многие ожидают. Еще в период неолита швы использовались для закрытия ран и облегчения заживления. Позже в таких обществах, как Древний Египет, были разработаны более совершенные материалы для зашивания ран, такие как льняные швы. Около 2500 г. до н.э. в древней Индии были разработаны кожные трансплантаты путем разрезания кожи с ягодиц и пришивания ее к ранам в ухе, носу или губах. Древние египтяне часто пересаживали кожу трупов живым людям и даже пытались использовать мед в качестве антибиотика, а жир — в качестве защитного барьера для предотвращения инфекции. В I и II веках нашей эры галло-римляне разработали имплантаты из кованого железа, а зубные имплантаты можно было найти у древних майя.
Хотя эти древние общества разработали методы, которые намного опередили свое время, им все еще не хватало механистического понимания того, как тело реагирует на эти процедуры. Этот механистический подход возник одновременно с развитием эмпирического метода науки, впервые предложенного Рене Декартом. Сэр Исаак Ньютон начал описывать тело как «физико-химическую машину» и утверждал, что болезнь — это сбой в машине.
В 17 веке Роберт Гук открыл клетку, а письмо Бенедикта де Спинозы выдвинуло идею гомеостаза между динамическими процессами в организме. Эксперименты с гидрой, проведенные Авраамом Трембли в 18 веке, начали углубляться в регенеративные способности клеток. В XIX веке лучшее понимание того, как различные металлы взаимодействуют с организмом, привело к разработке более совершенных шовных материалов и переходу к винтовым и пластинчатым имплантатам для фиксации кости. Кроме того, в середине 1800-х годов впервые была выдвинута гипотеза, что взаимодействие клеток с окружающей средой и пролиферация клеток жизненно важны для регенерации тканей.
С течением времени и развитием технологий существует постоянная потребность в изменении подхода, который исследователи применяют в своих исследованиях. Тканевая инженерия продолжала развиваться на протяжении веков. Вначале люди рассматривали и использовали образцы непосредственно из трупов людей или животных. Теперь тканевые инженеры имеют возможность переделывать многие ткани организма с помощью современных методов, таких как микрообработка и трехмерная биопечать, в сочетании с нативными тканевыми клетками/стволовыми клетками. Эти достижения позволили исследователям создавать новые ткани гораздо более эффективным способом. Например, эти методы позволяют добиться большей персонализации, что обеспечивает лучшую биосовместимость, снижение иммунного ответа, клеточную интеграцию и долговечность. Нет сомнений в том, что эти методы будут продолжать развиваться, поскольку в течение последнего десятилетия мы продолжали наблюдать развитие микрообработки и биопечати.
В 1960 году Вихтерле и Лим первыми опубликовали эксперименты с гидрогелями для биомедицинских применений, используя их при изготовлении контактных линз. Работа в этой области развивалась медленно в течение следующих двух десятилетий, но позже получила развитие, когда гидрогели были перепрофилированы для доставки лекарств. В 1984 году Чарльз Халл разработал биопечать, превратив струйный принтер Hewlett-Packard в устройство, способное наносить клетки в 2D. Трехмерная (3-D) печать — это тип аддитивного производства, который с тех пор нашел различные применения в медицинской технике благодаря своей высокой точности и эффективности. С разработкой биологом Джеймсом Томпсоном первых линий стволовых клеток человека в 1998 году, за которой последовала трансплантация первых выращенных в лаборатории внутренних органов в 1999 году и создание первого биопринтера в 2003 году в Университете Миссури, когда они напечатали сфероиды без необходимости использования каркасов, 3- Биопечать D стала более широко использоваться в медицинской сфере, чем когда-либо прежде. До сих пор ученым удалось напечатать мини-органоиды и органы на чипах , которые позволили получить практическое представление о функциях человеческого тела. Фармацевтические компании используют эти модели для тестирования лекарств, прежде чем перейти к исследованиям на животных. Однако полностью функциональный и структурно подобный орган до сих пор не напечатан. Сообщается, что команда из Университета Юты напечатала уши и успешно трансплантировала их детям, рожденным с дефектами, из-за которых уши частично развились.
Сегодня гидрогели считаются предпочтительным выбором биочернил для трехмерной биопечати, поскольку они имитируют естественный ЕСМ клеток, а также обладают сильными механическими свойствами, способными поддерживать трехмерные структуры. Кроме того, гидрогели в сочетании с 3D-биопечатью позволяют исследователям создавать различные каркасы, которые можно использовать для формирования новых тканей или органов. Ткани, напечатанные на 3D-принтере, по-прежнему сталкиваются со многими проблемами, такими как добавление сосудистой сети. Между тем, 3D-печать частей тканей определенно улучшит наше понимание человеческого тела, тем самым ускоряя как фундаментальные, так и клинические исследования.
.jpg/1280px-Earproject_-_2x3_(6127848729).jpg)
По определению Лангера и Ваканти [5] примеры тканевой инженерии попадают в одну или несколько из трех категорий: «просто клетки», «клетки и каркас» или «тканеиндуцирующие факторы».
Клетки являются одним из основных компонентов успеха тканевой инженерии. Тканевая инженерия использует клетки как стратегию создания/замены новой ткани. Примеры включают фибробласты , используемые для восстановления или обновления кожи, [23] хондроциты, используемые для восстановления хряща (продукт, одобренный MACI-FDA), и гепатоциты, используемые в системах поддержки печени.
Клетки можно использовать отдельно или с опорными матрицами для целей тканевой инженерии. Адекватная среда для стимулирования роста, дифференциации и интеграции клеток с существующей тканью является критическим фактором для строительных блоков на основе клеток. [24] Манипулирование любым из этих клеточных процессов создает альтернативные пути развития новой ткани (например, клеточное перепрограммирование – соматические клетки, васкуляризация).
Методы выделения клеток зависят от источника клеток. Центрифугирование и аферез представляют собой методы, используемые для извлечения клеток из биожидкостей (например, крови). В то время как процессы пищеварения, обычно с использованием ферментов для удаления внеклеточного матрикса (ECM), необходимы перед методами центрифугирования или афереза для извлечения клеток из тканей/органов. Трипсин и коллагеназа являются наиболее распространенными ферментами, используемыми для пищеварения тканей. В то время как трипсин зависит от температуры, коллагеназа менее чувствительна к изменениям температуры.
Первичные клетки – это те, которые непосредственно выделены из ткани хозяина. Эти клетки представляют собой модель клеточного поведения ex-vivo без каких-либо генетических, эпигенетических изменений или изменений в развитии; что делает их более точной репликацией условий in vivo, чем клетки, полученные другими методами. [25] Однако это ограничение также может затруднить их изучение. Это зрелые клетки, часто терминально дифференцированные, а это означает, что для многих типов клеток пролиферация затруднена или невозможна. Кроме того, микроокружение, в котором существуют эти клетки, узкоспециализировано, что часто затрудняет репликацию этих условий. [26]
Вторичные клетки Часть клеток из первичной культуры перемещают в новый репозиторий/сосуд для продолжения культивирования. Среду из первичной культуры удаляют, клетки, которые желательно перенести, получают и затем культивируют в новом сосуде со свежей питательной средой. [ нужна цитация ] Вторичная культура клеток полезна для того, чтобы гарантировать, что у клеток есть и место, и питательные вещества, необходимые им для роста. Вторичные культуры чаще всего используются в любом сценарии, когда желательно большее количество клеток, чем можно найти в первичной культуре. Вторичные клетки имеют те же ограничения, что и первичные клетки (см. выше), но имеют дополнительный риск заражения при переносе в новый сосуд.
Аутологичные: донор и реципиент клеток — один и тот же человек. Клетки собирают, культивируют или хранят, а затем повторно вводят хозяину. В результате повторного введения собственных клеток хозяина антигенный ответ не возникает. Иммунная система организма распознает эти повторно имплантированные клетки как свои собственные и не подвергает их атаке. Зависимость аутологичных клеток от здоровья клеток-хозяев и заболеваемости донорского участка может быть сдерживающим фактором для их использования. Мезенхимальные стволовые клетки, полученные из жировой ткани и костного мозга, обычно являются аутологичными по своей природе и могут использоваться множеством способов: от помощи в восстановлении скелетной ткани до пополнения бета-клеток у пациентов с диабетом. [27] [28] [29] [30]
Аллогенные: клетки получают из тела донора того же вида, что и реципиент. Хотя существуют некоторые этические ограничения на использование человеческих клеток для исследований in vitro (например, развитие химер ткани головного мозга человека [31] ), использование дермальных фибробластов из крайней плоти человека демонстрирует иммунологически безопасный и, следовательно, жизнеспособный выбор для аллогенной тканевой инженерии. кожа.
Ксеногенные: эти клетки представляют собой изолированные клетки альтернативных видов реципиента. Ярким примером использования ксеногенных тканей является создание сердечно-сосудистых имплантатов из клеток животных. Химерное животноводческое хозяйство вызывает этические опасения по поводу возможности улучшения сознания в результате имплантации человеческих органов животным. [32]
Сингенные или изогенные: эти клетки описывают клетки, рожденные с идентичным генетическим кодом. Это дает иммунологическое преимущество, аналогичное эффекту аутологичных клеточных линий (см. выше). [33] Аутологичные клетки можно считать сингенными, но классификация также распространяется на клетки, полученные неаутологично, например клетки идентичного близнеца, генетически идентичные (клонированные) исследовательские модели или индуцированные стволовые клетки (iSC) [34] в зависимости от родственных причин. донору.
Стволовые клетки — это недифференцированные клетки, способные делиться в культуре и давать начало различным формам специализированных клеток. Стволовые клетки делятся на «взрослые» и «эмбриональные» стволовые клетки в зависимости от их источника. Хотя до сих пор ведутся большие этические дебаты, связанные с использованием эмбриональных стволовых клеток, считается, что другой альтернативный источник – индуцированные плюрипотентные стволовые клетки – может быть полезен для восстановления больных или поврежденных тканей или может использоваться для выращивания новых органов. .
Тотипотентные клетки — это стволовые клетки, которые могут делиться на дальнейшие стволовые клетки или дифференцироваться в клетки любого типа в организме, включая внеэмбриональные ткани.
Плюрипотентные клетки — это стволовые клетки, которые могут дифференцироваться в любой тип клеток организма, за исключением внеэмбриональных тканей. индуцированные плюрипотентные стволовые клетки (иПСК) представляют собой подкласс плюрипотентных стволовых клеток, напоминающих эмбриональные стволовые клетки (ЭСК), которые были получены из взрослых дифференцированных клеток. ИПСК создаются путем изменения экспрессии транскрипционных факторов во взрослых клетках до тех пор, пока они не станут похожими на эмбриональные стволовые клетки. [ нужна цитата ]
Мультипотентные стволовые клетки можно дифференцировать в любые клетки того же класса, например, в клетки крови или кости . Типичным примером мультипотентных клеток являются мезенхимальные стволовые клетки (МСК).
Каркасы — это материалы, которые были разработаны для обеспечения желаемых клеточных взаимодействий, способствующих формированию новых функциональных тканей для медицинских целей. В эти структуры часто «засеивают» клетки, способные поддерживать формирование трехмерной ткани. Каркасы имитируют внеклеточный матрикс нативной ткани, повторяя среду in vivo и позволяя клеткам влиять на свое собственное микроокружение. Обычно они служат по крайней мере одной из следующих целей: обеспечение прикрепления и миграции клеток, доставка и удержание клеток и биохимических факторов, обеспечение диффузии жизненно важных питательных веществ клеток и экспрессируемых продуктов, а также оказание определенных механических и биологических воздействий для изменения поведения клеточной фазы. .
В 2009 году междисциплинарная группа под руководством торакального хирурга Торстена Уоллеса имплантировала первый биоискусственный трансплантат, который обеспечивает врожденную сосудистую сеть для посттрансплантационной доставки трансплантата пациенту, ожидающему реконструкции трахеи. [35]
Для достижения цели реконструкции тканей каркасы должны отвечать некоторым специфическим требованиям. Высокая пористость и адекватный размер пор необходимы для облегчения засева клеток и диффузии по всей структуре как клеток, так и питательных веществ. Биоразлагаемость часто является важным фактором, поскольку каркасы предпочтительно должны поглощаться окружающими тканями без необходимости хирургического удаления. Скорость, с которой происходит деградация, должна максимально совпадать со скоростью образования тканей: это означает, что пока клетки создают вокруг себя свою собственную естественную матричную структуру, каркас способен обеспечить структурную целостность внутри тела, и в конечном итоге это произойдет. разрушаются, оставляя новообразованную ткань, которая принимает на себя механическую нагрузку. Инъекционная способность также важна для клинического применения. Недавние исследования в области печати органов показывают, насколько важен хороший контроль 3D-среды для обеспечения воспроизводимости экспериментов и получения лучших результатов.
Выбор материала является важным аспектом изготовления строительных лесов. Используемые материалы могут быть натуральными или синтетическими, биоразлагаемыми или небиоразлагаемыми. Кроме того, они должны быть биосовместимы, то есть не оказывать вредного воздействия на клетки. [37] Силикон, например, представляет собой синтетический, не биоразлагаемый материал, обычно используемый в качестве материала для доставки лекарств, [38] [39] , тогда как желатин представляет собой биоразлагаемый природный материал, обычно используемый в каркасах для клеточных культур [40] [41 ] ] [42]
Материал, необходимый для каждого применения, различен и зависит от желаемых механических свойств материала. Например, для тканевой инженерии дефектов длинных костей потребуется жесткий каркас с прочностью на сжатие, аналогичной прочности кортикальной кости (100-150 МПа), что намного выше по сравнению с каркасом для регенерации кожи. [43] [44]
Существует несколько универсальных синтетических материалов, используемых для самых разных применений строительных лесов. Одним из таких широко используемых материалов является полимолочная кислота (PLA), синтетический полимер. PLA – полимолочная кислота. Это полиэстер, который разлагается в организме человека с образованием молочной кислоты — природного химического вещества, которое легко выводится из организма. Аналогичными материалами являются полигликолевая кислота (ПГК) и поликапролактон (ПКЛ): механизм их разложения аналогичен механизму разложения PLA, но PCL разлагается медленнее, а PGA разлагается быстрее. [ нужна цитация ] PLA обычно комбинируется с PGA для создания полимолочной гликолевой кислоты (PLGA). Это особенно полезно, поскольку деградацию PLGA можно регулировать, изменяя весовые проценты PLA и PGA: больше PLA – более медленная деградация, больше PGA – более быстрая деградация. Эта возможность настройки, наряду с биосовместимостью, делает его чрезвычайно полезным материалом для создания каркасов. [45]
Каркасы также могут быть построены из природных материалов: в частности, были изучены различные производные внеклеточного матрикса , чтобы оценить их способность поддерживать рост клеток. Материалы на основе белка, такие как коллаген или фибрин , и полисахаридные материалы, такие как хитозан [46] или гликозаминогликаны (ГАГ), оказались подходящими с точки зрения клеточной совместимости. Среди ГАГ гиалуроновая кислота , возможно, в сочетании со сшивающими агентами (например, глутаральдегидом , водорастворимым карбодиимидом и т. д.), является одним из возможных вариантов выбора в качестве материала каркаса. Благодаря ковалентному присоединению тиоловых групп к этим полимерам они могут сшиваться посредством образования дисульфидных связей. [47] Использование тиолированных полимеров ( тиомеров ) в качестве каркасного материала для тканевой инженерии было впервые представлено на 4-м Центральноевропейском симпозиуме по фармацевтическим технологиям в Вене в 2001 году. [48] Поскольку тиомеры биосовместимы, проявляют свойства, имитирующие клетки, и эффективно поддерживают пролиферацию и дифференциация различных типов клеток, они широко используются в качестве каркасов для тканевой инженерии. [49] [50] [51] Кроме того, было показано, что тиомеры, такие как тиолированная гиалуроновая кислота [52] и тиолированный хитозан [53], проявляют ранозаживляющие свойства и являются предметом многочисленных клинических испытаний . [54] Кроме того, фрагмент белка внеклеточного матрикса, такого как пептид RGD , может быть связан с небиоактивным материалом для содействия прикреплению клеток. [55] Другой формой каркаса является децеллюляризованная ткань. Это процесс, при котором химические вещества используются для извлечения клеток из тканей, оставляя только внеклеточный матрикс. Преимущество этого заключается в том, что полностью сформированная матрица специфична для желаемого типа ткани. Однако децеллуризованный каркас может вызвать иммунные проблемы с будущими введенными клетками.
В литературе описан ряд различных методов приготовления пористых структур для использования в качестве каркасов для тканевой инженерии. Каждый из этих методов имеет свои преимущества, но ни один из них не лишен недостатков.
Молекулярная самосборка — один из немногих методов создания биоматериалов со свойствами, аналогичными по масштабу и химическому составу природному внеклеточному матриксу (ECM) in vivo , что является решающим шагом на пути к тканевой инженерии сложных тканей. [56] Более того, эти гидрогелевые каркасы продемонстрировали превосходство в токсикологии и биосовместимости in vivo по сравнению с традиционными макрокаркасами и материалами животного происхождения.
Эти методы включают в себя все подходы, которые успешно применяются для изготовления нетканых сеток из различных полимеров . В частности, нетканые полигликолидные структуры были протестированы для применения в тканевой инженерии: было обнаружено, что такие волокнистые структуры полезны для выращивания различных типов клеток. Основные недостатки связаны с трудностями получения высокой пористости и регулярного размера пор.
Литье растворителем и дисперсное выщелачивание (SCPL) позволяет получать структуры с регулярной пористостью, но ограниченной толщиной. Сначала полимер растворяют в подходящем органическом растворителе (например, полимолочную кислоту можно растворить в дихлорметане ), затем раствор заливают в форму, заполненную частицами порогена. Таким порогеном может быть неорганическая соль, такая как хлорид натрия , кристаллы сахарозы , желатиновые сферы или парафиновые сферы. Размер частиц порообразователя будет влиять на размер пор каркаса, в то время как соотношение полимера и порообразователя напрямую коррелирует с величиной пористости конечной структуры. После отливки полимерного раствора растворителю дают полностью испариться, затем композитную структуру в форме погружают в ванну с жидкостью, подходящей для растворения порообразователя: водой в случае хлорида натрия, сахарозой и желатином или алифатическим раствором . растворитель, например гексан , для использования с парафином. После полного растворения порообразователя образуется пористая структура. Помимо небольшого диапазона толщины, который можно получить, еще один недостаток SCPL заключается в использовании органических растворителей, которые необходимо полностью удалить, чтобы избежать любого возможного повреждения клеток, высеянных на каркас.
Чтобы преодолеть необходимость использования органических растворителей и твердых порообразователей, была разработана методика использования газа в качестве порообразователя. Сначала методом компрессионного формования с использованием нагретой формы приготавливают дискообразные конструкции из желаемого полимера. Затем диски помещают в камеру, где они подвергаются воздействию CO 2 под высоким давлением в течение нескольких дней. Давление внутри камеры постепенно восстанавливается до атмосферного уровня. Во время этой процедуры поры образуются молекулами углекислого газа, которые покидают полимер, в результате чего образуется губчатая структура. Основные проблемы, возникающие при таком методе, вызваны чрезмерным нагревом, используемым во время прессования (что препятствует включению в полимерную матрицу любого термолабильного материала), а также тем фактом, что поры не образуют взаимосвязанной структуры.
Этот метод не требует использования твердого порообразователя, такого как SCPL. Сначала синтетический полимер растворяют в подходящем растворителе (например, полимолочной кислоте в дихлорметане), затем к полимерному раствору добавляют воду и две жидкости смешивают для получения эмульсии . Прежде чем две фазы смогут разделиться, эмульсию заливают в форму и быстро замораживают путем погружения в жидкий азот . Замороженную эмульсию затем подвергают лиофилизации для удаления диспергированной воды и растворителя, в результате чего остается затвердевшая пористая полимерная структура. Хотя эмульгирование и лиофилизация позволяют ускорить приготовление по сравнению с SCPL (поскольку он не требует трудоемкого этапа выщелачивания), оно все равно требует использования растворителей. Кроме того, размер пор относительно мал, а пористость часто неравномерна. Сублимационная сушка сама по себе также является широко используемым методом изготовления каркасов. В частности, его используют для приготовления коллагеновых губок: коллаген растворяют в кислых растворах уксусной или соляной кислоты , которые заливают в форму, замораживают жидким азотом и затем лиофилизируют .
Как и предыдущий метод, процедура разделения фаз TIPS требует использования растворителя с низкой температурой плавления, который легко сублимировать. Например, для растворения полимолочной кислоты можно использовать диоксан , затем путем добавления небольшого количества воды вызывают разделение фаз: образуются фаза, богатая полимером, и фаза, бедная полимером. После охлаждения ниже температуры плавления растворителя и нескольких дней сушки в вакууме для сублимации растворителя получается пористый каркас. Разделение фаз жидкость-жидкость имеет те же недостатки, что и эмульгирование/сушка вымораживанием. [57]
Электропрядение — это очень универсальный метод, который можно использовать для производства непрерывных волокон диаметром от нескольких микрон до нескольких нанометров. В типичной установке электропрядения желаемый материал каркаса растворяется в растворителе и помещается в шприц. Этот раствор подается через иглу, и к кончику и проводящей собирающей поверхности подается высокое напряжение. Накопление электростатических сил внутри раствора заставляет его выбрасывать тонкий волокнистый поток к противоположно заряженной или заземленной поверхности сбора. Во время этого процесса растворитель испаряется, оставляя твердые волокна и высокопористую сетку. Этот метод легко настраивается и варьируется в зависимости от растворителя, напряжения, рабочего расстояния (расстояния от иглы до поверхности сбора), скорости потока раствора, концентрации растворенного вещества и поверхности сбора. Это позволяет точно контролировать морфологию волокон.
Однако на коммерческом уровне из соображений масштабируемости одновременно работают 40, а иногда и 96 игл. Узкими местами в таких установках являются: 1) поддержание вышеупомянутых переменных одинаково для всех игл и 2) формирование «бусинок» в отдельных волокнах, которые мы, инженеры, хотим иметь одинаковый диаметр. Изменяя такие переменные, как расстояние до коллектора, величину приложенного напряжения или скорость потока раствора, исследователи могут кардинально изменить общую архитектуру каркаса.
Исторически исследования электропрядения волокнистых каркасов восходят, по крайней мере, к концу 1980-х годов, когда Саймон показал, что электропрядение можно использовать для производства волокнистых каркасов нано- и субмикронного размера из полимерных растворов, специально предназначенных для использования в качестве клеточных и тканевых субстратов in vitro . Это раннее использование электроформованных решеток для клеточной культуры и тканевой инженерии показало, что различные типы клеток будут прикрепляться к поликарбонатным волокнам и размножаться на них. Было отмечено, что в отличие от уплощенной морфологии, обычно наблюдаемой в 2D-культуре, клетки, выращенные на волокнах электропрядения, демонстрировали более округлую трехмерную морфологию, обычно наблюдаемую в тканях in vivo . [58]
Поскольку большинство из вышеперечисленных методов ограничены, когда дело доходит до контроля пористости и размера пор, в тканевую инженерию были внедрены компьютерные технологии проектирования и производства . Сначала с помощью программного обеспечения САПР проектируется трехмерная структура. Пористость можно настроить с помощью алгоритмов программного обеспечения. [59] Затем каркас изготавливают с помощью струйной печати полимерных порошков или моделирования расплавленным осаждением расплава полимера. [60]
Исследование Эль-Аюби и соавт., проведенное в 2011 году. исследовал «метод 3D-графики для производства ( биосовместимых и биоразлагаемых ) макропористых каркасов из поли-L-лактида с двумя разными размерами пор» посредством изготовления твердых тел произвольной формы (SSF) с помощью компьютерного проектирования (CAD) для изучения терапевтического суставного хряща . замена как «альтернатива обычному восстановлению тканей». [61] Исследование показало, что чем меньше размер пор в сочетании с механическим стрессом в биореакторе (чтобы создать условия, подобные in vivo), тем выше жизнеспособность клеток с потенциальной терапевтической функциональностью за счет уменьшения времени восстановления и повышения эффективности трансплантации. [61]
В исследовании 2012 года [62] Koch et al. основное внимание уделялось тому, можно ли использовать лазерную биопечать (LaBP) для создания многоклеточных трехмерных моделей в природном матриксе и функционируют ли сгенерированные конструкции и формируются ли ткани. LaBP упорядочивает небольшие объемы суспензий живых клеток по заданным шаблонам высокого разрешения. [62] Исследование оказалось успешным, исследователи предвидят, что «созданные тканевые конструкции могут быть использованы для испытаний in vivo путем имплантации их в модели животных » (14). На момент этого исследования была синтезирована только ткань кожи человека, хотя исследователи прогнозируют, что «путем интеграции дополнительных типов клеток (например, меланоцитов , шванновских клеток , клеток волосяных фолликулов) в печатную клеточную конструкцию поведение этих клеток в 3D in vitro можно проанализировать микросреду, аналогичную их естественной», что полезно для открытия лекарств и токсикологических исследований. [62]
Густафссон и др. [63] продемонстрировали отдельно стоящие биоактивные мембраны размером в см, но толщиной всего 250 нм, которые образовались в результате самосборки паутины на границе раздела водного раствора. Мембраны уникальным образом сочетают в себе нанотолщину, биоразлагаемость, сверхвысокую деформацию и прочность, проницаемость для белков и способствуют быстрому прикреплению и пролиферации клеток. Они продемонстрировали рост связного слоя кератиноцитов. Эти наномембраны из паучьего шелка также использовались для создания статической модели кровеносного сосуда in vitro . [64]
Регенерация тканей in situ определяется как имплантация биоматериалов (отдельно или в сочетании с клетками и/или биомолекулами) в дефект ткани с использованием окружающего микроокружения организма в качестве естественного биореактора. [65] Этот подход нашел применение при регенерации кости, [66] позволяя формировать клеточно-засеянные конструкции непосредственно в операционной. [67]
Постоянной проблемой тканевой инженерии являются ограничения транспорта массы. Сконструированным тканям обычно не хватает первоначального кровоснабжения, что затрудняет получение имплантированных клеток достаточного количества кислорода и питательных веществ для выживания или правильного функционирования.
Было показано, что методы самосборки являются перспективными методами тканевой инженерии. Преимущество методов самосборки заключается в том, что они позволяют тканям развивать собственный внеклеточный матрикс, в результате чего получается ткань, которая лучше воспроизводит биохимические и биомеханические свойства нативной ткани. Самособирающийся инженерный суставной хрящ был представлен Джерри Ху и Кириакосом А. Атанасиу в 2006 году [68], и применение этого процесса привело к созданию инженерного хряща, приближающегося по прочности к нативной ткани. [69] Самосборка — это основная технология, позволяющая собрать клетки, выращенные в лаборатории, в трехмерные формы. Чтобы расщепить ткани на клетки, исследователям сначала необходимо растворить внеклеточный матрикс, который обычно связывает их вместе. После того, как клетки изолированы, они должны сформировать сложные структуры, из которых состоят наши естественные ткани.
Поверхность воздуха и жидкости, созданная волнами Фарадея, исследуется в качестве шаблона для сборки биологических объектов для тканевой инженерии «снизу вверх». Этот шаблон на жидкой основе можно динамически реконфигурировать за несколько секунд, а сборку на шаблоне можно выполнять масштабируемым и параллельным образом. Была продемонстрирована хорошая жизнеспособность клеток при сборке микромасштабных гидрогелей, клеток, засеянных нейронами шариков-микроносителей, клеточных сфероидов в различные симметричные и периодические структуры. Формирование трехмерной нейронной сети было достигнуто после 14-дневной культуры ткани. [70]
Возможно, удастся напечатать органы или, возможно, целые организмы, используя методы аддитивного производства . Последний инновационный метод строительства использует струйный механизм для печати точных слоев клеток в матрице термообратимого геля. Эндотелиальные клетки, клетки, выстилающие кровеносные сосуды, были напечатаны в виде набора сложенных друг на друга колец. При инкубации они сливаются в трубку. [60] [71] В этой области этот метод называют «биопечатью», поскольку он включает в себя печать биологических компонентов в структуре, напоминающей орган фокусировки.
В области трехмерных и высокоточных моделей биологических систем впервые появилось множество проектов и технологий, включая быстрый метод создания тканей и даже целых органов с использованием 3D-принтера, который может биопечать каркаса и клеток слой за слоем в образец рабочей ткани или органа. Устройство представлено в докладе TED доктором Энтони Атала, доктором медицинских наук, директором Института регенеративной медицины Уэйк Форест , профессором У. Х. Бойса и заведующим кафедрой урологии Университета Уэйк Форест, на котором напечатана почка. сцене во время семинара, а затем представлен публике. [72] [73] [74] Ожидается, что эта технология позволит в будущем производить печень для трансплантации, а также теоретически для токсикологических и других биологических исследований.
В 2015 году многофотонная обработка (MPP) была использована для экспериментов in vivo по созданию искусственных хрящевых конструкций. Гистологическое исследование ex vivo показало, что определенная геометрия пор и предварительное выращивание хондроцитов (Cho) перед имплантацией значительно улучшают характеристики созданных трехмерных каркасов. Достигнутая биосовместимость была сопоставима с коммерчески доступными коллагеновыми мембранами. Успешный результат этого исследования подтверждает идею о том, что гибридные органически-неорганические микроструктурированные каркасы в форме гексагональных пор в сочетании с засевом Чо могут быть успешно реализованы для инженерии хрящевой ткани. [75]
В последнее время тканевая инженерия продвинулась вперед, сосредоточив внимание на васкуляризации. С помощью аддитивного производства на основе двухфотонной полимеризации создаются синтетические трехмерные сети микрососудов из трубчатых гидрогелевых структур. Эти сети могут перфузировать ткани размером в несколько кубических миллиметров, обеспечивая долгосрочную жизнеспособность и рост клеток in vitro. Это нововведение знаменует собой значительный шаг вперед в тканевой инженерии, облегчая разработку сложных моделей тканей человека. [76]
В 2013 году с использованием трехмерного каркаса Matrigel в различных конфигурациях in vitro были получены существенные органоиды поджелудочной железы. Кластеры небольшого количества клеток размножались до 40 000 клеток в течение одной недели. Кластеры трансформируются в клетки, которые производят пищеварительные ферменты или гормоны , такие как инсулин , самоорганизуясь в разветвленные органоиды поджелудочной железы, напоминающие поджелудочную железу. [77]
Клетки чувствительны к окружающей среде, например к жесткости геля и контакту с другими клетками. Отдельные клетки не процветают; для последующего развития органоидов требовалось минимум четыре близлежащих клетки. Модификации состава среды привели к образованию либо полых сфер, состоящих в основном из предшественников поджелудочной железы, либо сложных органоидов, которые спонтанно подвергаются морфогенезу и дифференцировке поджелудочной железы. Поддержание и экспансия панкреатических предшественников требуют активной передачи сигналов Notch и FGF , повторяя in vivo сигнальные взаимодействия ниш. [77]
Органоиды рассматривались как потенциальные мини-органы для тестирования лекарств и резервных клеток, продуцирующих инсулин. [77]
Помимо каркасов Matrigel 3-D, были разработаны и другие системы коллагеновых гелей. Каркасы из коллагена и гиалуроновой кислоты использовались для моделирования молочной железы in vitro при совместном культивировании эпителиальных и адипоцитных клеток. Набор HyStem — это еще одна трехмерная платформа, содержащая компоненты ЕСМ и гиалуроновую кислоту, которая использовалась для исследований рака. Кроме того, компоненты гидрогеля могут быть химически модифицированы, чтобы способствовать сшиванию и улучшению их механических свойств.
Во многих случаях создание функциональных тканей и биологических структур in vitro требует обширного культивирования для обеспечения выживания, роста и стимулирования функциональности. В целом, в культуре необходимо поддерживать основные потребности клеток, которые включают кислород , pH , влажность , температуру , питательные вещества и поддержание осмотического давления .
Тканеинженерные культуры также создают дополнительные проблемы при поддержании условий культивирования. В стандартной культуре клеток диффузия часто является единственным средством транспорта питательных веществ и метаболитов. Однако по мере того, как культура становится больше и сложнее, как в случае с искусственными органами и целыми тканями, для поддержания культуры необходимо использовать другие механизмы, такие как создание капиллярных сетей внутри ткани.
Другая проблема с тканевой культурой — введение правильных факторов или стимулов, необходимых для индукции функциональности. Во многих случаях простой культуры обслуживания недостаточно. Иногда требуются факторы роста , гормоны , специфические метаболиты или питательные вещества, химические и физические стимулы. Например, некоторые клетки реагируют на изменения напряжения кислорода в рамках своего нормального развития, например хондроциты , которые должны адаптироваться к условиям низкого содержания кислорода или гипоксии во время развития скелета. Другие, такие как эндотелиальные клетки, реагируют на напряжение сдвига от потока жидкости, которое возникает в кровеносных сосудах . Механические стимулы, такие как импульсы давления, по-видимому, полезны для всех видов сердечно-сосудистых тканей, таких как сердечные клапаны, кровеносные сосуды или перикард.
В тканевой инженерии биореактор — это устройство, которое пытается имитировать физиологическую среду, чтобы стимулировать рост клеток или тканей in vitro. Физиологическая среда может состоять из множества различных параметров, таких как температура, давление, концентрация кислорода или углекислого газа или осмоляльность жидкой среды, и может распространяться на все виды биологических, химических или механических стимулов. Поэтому существуют системы, которые могут включать приложение к ткани таких сил, как электромагнитные силы, механическое давление или давление жидкости. Эти системы могут быть двух- или трехмерными. Биореакторы могут использоваться как в академических, так и в промышленных целях. Также коммерчески доступны биореакторы общего и специального назначения, которые могут обеспечивать статическую химическую стимуляцию или комбинацию химической и механической стимуляции.
На пролиферацию и дифференцировку клеток в значительной степени влияют механические [78] и биохимические [79] сигналы в окружающей среде внеклеточного матрикса . Биореакторы обычно разрабатываются для воспроизведения конкретной физиологической среды выращиваемой ткани (например, изгиб и сдвиг жидкости для роста ткани сердца). [80] Это может позволить специализированным клеточным линиям процветать в культурах, копирующих их нативную среду, но также делает биореакторы привлекательными инструментами для культивирования стволовых клеток . Успешный биореактор на основе стволовых клеток эффективен для размножения стволовых клеток с однородными свойствами и/или содействия контролируемой, воспроизводимой дифференцировке в выбранные типы зрелых клеток. [81]
Существует множество биореакторов , предназначенных для 3D-культур клеток. Существуют небольшие пластиковые цилиндрические камеры, а также стеклянные камеры с регулируемой внутренней влажностью и влажностью, специально разработанные для выращивания клеток в трех измерениях. [82] В биореакторе используются биоактивные синтетические материалы, такие как мембраны из полиэтилентерефталата, чтобы окружить сфероидные клетки в среде, поддерживающей высокий уровень питательных веществ. [83] [84] Их легко открывать и закрывать, поэтому сфероиды клеток можно вынимать для тестирования, при этом в камере сохраняется 100% влажность. [85] Эта влажность важна для достижения максимального роста и функционирования клеток. Камера биореактора является частью более крупного устройства, которое вращается, чтобы обеспечить одинаковый рост клеток в каждом направлении в трех измерениях. [85]
Компания QuinXell Technologies, в настоящее время принадлежащая компании Quintech Life Sciences из Сингапура , разработала биореактор, известный как двухосный биореактор TisXell, который специально разработан для целей тканевой инженерии. Это первый биореактор в мире, имеющий сферическую стеклянную камеру с двухосным вращением; специально для имитации вращения плода в утробе матери; что обеспечивает благоприятную среду для роста тканей. [86]
Несколько форм механической стимуляции также были объединены в одном биореакторе. Используя анализ экспрессии генов, одно академическое исследование показало, что применение комбинации циклического напряжения и ультразвуковой стимуляции к клеткам преостеобластов в биореакторе ускоряет созревание и дифференцировку матрикса. [87] Технология этого биореактора комбинированной стимуляции может быть использована для более быстрого и эффективного выращивания костных клеток в будущих клинических методах лечения стволовыми клетками. [88]
MC2 Biotek также разработала биореактор, известный как ProtoTissue [82] , который использует газообмен для поддержания высокого уровня кислорода в клеточной камере; Улучшение по сравнению с предыдущими биореакторами, поскольку более высокий уровень кислорода помогает клеткам расти и обеспечивать нормальное клеточное дыхание . [89]
Активные области исследований биореакторов включают увеличение масштабов производства и улучшение физиологической среды, оба из которых могут повысить эффективность и результативность биореакторов в исследованиях или клиническом использовании. Биореакторы в настоящее время используются, среди прочего, для изучения терапии на клеточном и тканевом уровне, реакции клеток и тканей на конкретные изменения физиологической среды, а также развития заболеваний и травм.
В 2013 году группа из Токийского университета разработала наполненные клетками волокна длиной до метра и размером порядка 100 мкм . [90] Эти волокна были созданы с помощью микрофлюидного устройства , формирующего двойной коаксиальный ламинарный поток. Каждый «слой» микрофлюидного устройства (клетки, посеянные в ЕСМ , гидрогелевую оболочку и, наконец, раствор хлорида кальция). Высеянные клетки культивируют внутри гидрогелевой оболочки в течение нескольких дней, а затем оболочку удаляют вместе с жизнеспособными клеточными волокнами. В ядро ЕСМ были вставлены различные типы клеток, включая миоциты , эндотелиальные клетки , волокна нервных клеток и волокна эпителиальных клеток . Затем эта группа показала, что эти волокна можно сплетать вместе для изготовления тканей или органов по механизму, аналогичному текстильному ткачеству . Преимущество фиброзной морфологии состоит в том, что она представляет собой альтернативу традиционной конструкции каркаса, а многие органы (например, мышцы) состоят из фиброзных клеток.
Искусственный орган — это инженерное устройство, которое может быть экстракорпоральным или имплантироваться для поддержки поврежденных или вышедших из строя систем органов. [91] Биоискусственные органы обычно создаются с целью восстановить критические биологические функции, например, при замене больного сердца и легких, или обеспечить радикальное улучшение качества жизни, например, при использовании искусственно созданной кожи у жертв ожогов. [91] Хотя некоторые примеры биоискусственных органов все еще находятся на стадии исследования из-за ограничений, связанных с созданием функциональных органов, другие в настоящее время используются в клинических условиях экспериментально и коммерчески. [92]
Аппараты экстракорпоральной мембранной оксигенации (ЭКМО), также известные как аппараты для сердца и легких, представляют собой адаптацию методов искусственного кровообращения , обеспечивающих поддержку сердца и легких. [93] Он используется в первую очередь для поддержки легких в течение длительного, но все же временного периода времени (1–30 дней) и обеспечения выздоровления от обратимых заболеваний. [93] Роберт Бартлетт известен как отец ЭКМО и провел первое лечение новорожденного с помощью аппарата ЭКМО в 1975 году. [94]
Кожа
Тканеинженерная кожа — это тип биоискусственного органа, который часто используется для лечения ожогов, язв диабетической стопы или других крупных ран, которые не могут хорошо зажить сами по себе. Искусственную кожу можно изготовить из аутотрансплантатов, аллотрансплантатов и ксенотрансплантатов. Аутотрансплантатная кожа происходит из собственной кожи пациента, что позволяет дерме быстрее заживлять, а донорский участок можно повторно собирать несколько раз. Аллотрансплантат кожи часто получается из трупной кожи и в основном используется для лечения жертв ожогов. Наконец, ксенотрансплантированная кожа происходит от животных и обеспечивает временную структуру заживления кожи. Они способствуют регенерации кожи, но не могут стать частью кожи хозяина. [23] Тканевая инженерия кожи теперь доступна в коммерческих продуктах. Интегра, первоначально использовавшаяся только для лечения ожогов, состоит из коллагеновой матрицы и хондроитинсульфата, которые можно использовать в качестве заменителя кожи. Хондроитинсульфат действует как компонент протеогликанов, который помогает формировать внеклеточный матрикс. [95] Интегру можно заселить и реваскуляризировать, сохраняя при этом структуру дермального коллагена, что делает ее биоискусственным органом. [96] Дермаграфт, еще один коммерческий продукт тканеинженерной обработки кожи, изготавливается из живых фибробластов. Эти фибробласты пролиферируют и производят факторы роста, коллаген и белки ЕСМ, которые помогают создавать грануляционную ткань. [97]
Поскольку число пациентов, ожидающих трансплантации сердца, постоянно увеличивается с течением времени, а число пациентов в списке ожидания превышает доступность органов, [98] использование искусственных органов в качестве заместительной терапии при терминальной сердечной недостаточности могло бы помочь облегчить эту трудность. Искусственные сердца обычно используются в качестве альтернативы трансплантации сердца или могут применяться в качестве заместительной терапии при неизлечимой сердечной недостаточности. [99] Полное искусственное сердце (ТАС), впервые представленное доктором Владимиром П. Демиховым в 1937 году, [100] стало идеальной альтернативой. С тех пор он был разработан и усовершенствован как механический насос, обеспечивающий долговременную поддержку кровообращения и заменяющий больные или поврежденные желудочки сердца, которые не могут должным образом перекачивать кровь, восстанавливая таким образом легочный и системный кровоток. [101] Некоторые из нынешних TAH включают AbioCor, устройство, одобренное FDA, которое состоит из двух искусственных желудочков и их клапанов, не требует подкожных соединений и показано пациентам с бивентрикулярной сердечной недостаточностью. В 2010 году SynCardia выпустила портативный драйвер Freedom, который позволяет пациентам иметь портативное устройство, не ограничиваясь больницей. [102]
Хотя трансплантация почки возможна, почечную недостаточность чаще лечат с помощью искусственной почки. [103] Первые искусственные почки и большинство из тех, что используются в настоящее время, являются экстракорпоральными, например, при гемодиализе, при котором кровь фильтруется напрямую, или при перитонеальном диализе, при котором фильтрация осуществляется через жидкость в брюшной полости. [103] [104] Чтобы способствовать биологическим функциям почек, таким как выработка метаболических факторов или гормонов, некоторые искусственные почки включают в себя почечные клетки. [103] [104] Достигнут прогресс в том, чтобы сделать эти устройства меньшего размера и более портативными или даже имплантируемыми. Одной из проблем, с которой еще предстоит столкнуться в этих небольших устройствах, является борьба с ограниченным объемом и, следовательно, с ограниченными возможностями фильтрации. [103]
Также были созданы биокаркасы, обеспечивающие основу для регенерации нормальной ткани почек. Эти каркасы включают в себя природные каркасы (например, децеллюляризированные почки, [105] гидрогель коллагена, [106] [107] или фиброин шелка [108] ), синтетические каркасы (например, поли[молочно-гликолевая кислота] [109] [110 ] ] или другие полимеры), или комбинацию двух или более натуральных и синтетических каркасов. Эти каркасы можно имплантировать в организм либо без обработки клеток, либо после периода посева и инкубации стволовых клеток. Исследования in vitro и in vivo проводятся для сравнения и оптимизации типа каркаса, а также для оценки того, повышает ли засев клеток перед имплантацией жизнеспособность, регенерацию и эффективное функционирование почек. Недавний систематический обзор и метаанализ сравнили результаты опубликованных исследований на животных и выявили, что улучшение результатов наблюдается при использовании гибридных (смешанных) каркасов и посева клеток; [111] однако метаанализ этих результатов не соответствовал оценке описательных результатов обзора. Поэтому целесообразны дальнейшие исследования с участием более крупных животных и новых каркасов, а также более прозрачное воспроизведение предыдущих исследований.
Биомиметика — это область, целью которой является производство материалов и систем, повторяющих те, что присутствуют в природе. [112] В контексте тканевой инженерии это распространенный подход, используемый инженерами для создания материалов для этих применений, которые сравнимы с нативными тканями с точки зрения их структуры, свойств и биосовместимости. Свойства материала во многом зависят от физических, структурных и химических характеристик этого материала. Впоследствии биомиметический подход к проектированию систем станет важным в интеграции материалов, и потребуется достаточное понимание биологических процессов и взаимодействий. Репликация биологических систем и процессов также может использоваться при синтезе биоматериалов для достижения условий, обеспечивающих производство желаемого биологического материала. Следовательно, если синтезируется материал, имеющий одинаковые характеристики биологических тканей как структурно, так и химически, то в идеале синтезированный материал будет иметь схожие свойства. Эта техника имеет обширную историю, берущую свое начало в идее использования природных явлений в качестве вдохновения для решения человеческих проблем. Многие современные достижения в области технологий были вдохновлены природой и природными системами, включая самолеты, автомобили, архитектуру и даже промышленные системы. Достижения в области нанотехнологий инициировали применение этого метода для решения микро- и наномасштабных задач, включая тканевую инженерию. Этот метод использовался для разработки синтетических костных тканей, сосудистых технологий, каркасных материалов и методов интеграции, а также функционализированных наночастиц. [112]
В 2018 году ученые из Университета Брандейса сообщили о своем исследовании мягкого материала, покрытого химическими сетями, которые могут имитировать плавное и скоординированное поведение нервной ткани. Это исследование финансировалось Исследовательской лабораторией армии США . [113] Исследователи представили экспериментальную систему нейронных сетей, теоретически смоделированную как системы реакции-диффузии . Внутри сети находился ряд узорчатых реакторов, каждый из которых осуществлял реакцию Белоусова-Жаботинского (БЗ). Эти реакторы могли бы функционировать в масштабе нанолитров. [114]
Исследователи утверждают, что вдохновением для их проекта послужило передвижение синего ленточного угря . Движениями угря управляют электрические импульсы, определяемые классом нейронных сетей, называемых центральным генератором шаблонов . Центральные генераторы паттернов функционируют в автономной нервной системе, контролируя такие функции организма, как дыхание, движение и перистальтика . [115]
Спроектированными качествами реактора были топология сети, граничные условия , начальные условия, объем реактора, сила связи и синаптическая полярность реактора (независимо от того, является ли его поведение тормозящим или возбуждающим). [115] Была разработана эмульсионная система BZ с твердым эластомером полидиметилсилоксаном (ПДМС). Сообщается, что как свето-, так и бромпроницаемые ПДМС являются жизнеспособными методами создания кардиостимулятора для нейронных сетей. [114]
Историю рынка тканевой инженерии можно разделить на три основные части. Время до краха биотехнологического рынка в начале 2000-х годов, крах и время после него.
Самый ранний прогресс в исследованиях тканевой инженерии был достигнут в США. Это связано с менее строгими правилами в отношении исследований стволовых клеток и более доступным финансированием, чем в других странах. Это приводит к созданию академических стартапов, многие из которых происходят из Гарварда или Массачусетского технологического института . Примером могут служить BioHybrid Technologies, основатель которой Билл Чик учился в Гарвардской медицинской школе и сосредоточился на создании искусственной поджелудочной железы. Другим примером может служить компания Organogenic Inc., основатель которой учился в Массачусетском технологическом институте и работал над продуктами для инженерии кожи. Другими компаниями, имеющими связи с MIT, являются TEI Biosciences, Therics и Guilford Pharmaceuticals. [8] Возобновление интереса к биотехнологиям в 1980-х годах привело к тому, что многие частные инвесторы инвестировали в эти новые технологии, хотя бизнес-модели этих ранних стартапов часто были не очень ясными и не представляли пути к долгосрочной прибыльности. [116] Правительственные спонсоры были более сдержанными в своем финансировании, поскольку тканевая инженерия считалась инвестицией с высоким риском. [8]
В Великобритании рынок стартовал медленнее, хотя правила в отношении исследований стволовых клеток также не были строгими. В основном это связано с тем, что все больше инвесторов менее готовы вкладывать средства в эти новые технологии, которые считались инвестициями с высоким уровнем риска. [116] Еще одна проблема, с которой столкнулись британские компании, заключалась в том, чтобы заставить Национальную службу здравоохранения платить за их продукцию. Это особенно важно потому, что Национальная служба здравоохранения проводит анализ экономической эффективности всех поддерживаемых продуктов. Новые технологии часто не преуспевают в этом отношении. [116]
В Японии ситуация с регулированием была совершенно иной. Во-первых, культивирование клеток было разрешено только в условиях больницы, а во-вторых, академическим ученым, нанятым в государственных университетах, не разрешалось работать вне работы до 1998 года. Более того, японским властям потребовалось больше времени для одобрения новых лекарств и методов лечения, чем их американским и европейским коллегам. [116]
По этим причинам на заре развития японского рынка основное внимание уделялось получению продуктов, которые уже были одобрены в других местах Японии, и их продаже. В отличие от рынка США, первыми игроками в Японии были в основном крупные фирмы или дочерние компании таких крупных фирм, как J-TEC, Menicon и Terumo, а не маленькие стартапы. [116] После законодательных изменений в 2014 году, которые позволили культивировать клетки за пределами больниц, скорость исследований в Японии возросла, и японские компании также начали разрабатывать свои собственные продукты. [116]
Вскоре после большого бума начали появляться первые проблемы. Были проблемы с одобрением продуктов FDA , и если они были одобрены, часто возникали трудности с тем, чтобы заставить страховых компаний платить за продукты и добиться их принятия поставщиками медицинских услуг. [116] [117]
Например, органогенез столкнулся с проблемами сбыта своей продукции и ее интеграции в систему здравоохранения. Частично это связано с трудностями обращения с живыми клетками и возросшими трудностями, с которыми сталкиваются врачи при использовании этих продуктов по сравнению с традиционными методами. [116]
Другим примером может служить продукт для кожи Dermagraft компании Advanced Tissue Sciences, который не смог бы создать достаточно высокий спрос без возмещения расходов со стороны страховых компаний. Причинами этого были цена в 4000 долларов и то обстоятельство, что компания Extra Advanced Tissue Sciences изо всех сил пыталась привлечь внимание врачей к своему продукту. [116]
Приведенные выше примеры демонстрируют, как компании боролись за получение прибыли. Это, в свою очередь, приводит к тому, что инвесторы теряют терпение и прекращают дальнейшее финансирование. В результате несколько компаний тканевой инженерии, таких как Organogenices и Advanced Tissue Sciences, в начале 2000-х годов объявили о банкротстве. В то время это были единственные компании, предлагающие на рынке коммерческие продукты для кожи. [117]
Технологии обанкротившихся или переживающих трудности компаний часто покупались другими компаниями, которые продолжали развитие в рамках более консервативных бизнес-моделей. [117] Примерами компаний, которые продавали свою продукцию после сворачивания, были Curis [117] и Intercytex. [116]
Многие компании отказались от своих долгосрочных целей по разработке полностью функциональных органов в пользу продуктов и технологий, которые могли бы принести прибыль в краткосрочной перспективе. [116] Примерами таких продуктов являются продукты косметической и испытательной промышленности.
В других случаях, например, в случае с Advanced Tissue Sciences, основатели создавали новые компании. [116]
В 2010-х годах нормативная база также начала способствовать ускорению выхода на рынок, особенно в США, поскольку FDA создало новые центры и пути, специально нацеленные на продукты, полученные из живых клеток, такие как Центр оценки и исследования биологических препаратов . [116]
Первые продукты тканевой инженерии начали приносить коммерческую прибыль в 2010-х годах. [117]
В настоящее время в Европе регулирование разделено на три области регулирования: медицинское оборудование , лекарственные препараты и биологические препараты . Продукты тканевой инженерии часто имеют гибридную природу, поскольку зачастую состоят из клеток и несущей структуры. Некоторые продукты могут быть одобрены в качестве лекарственных средств, другие должны получить одобрение в качестве медицинских изделий. [118] Дерксен объясняет в своей диссертации, что исследователи тканевой инженерии иногда сталкиваются с регулированием, которое не соответствует характеристикам тканевой инженерии. [119]
В Европе наблюдаются новые режимы регулирования, которые решают эти проблемы. [120] Объяснение трудностям в достижении консенсуса регулирующих органов по этому вопросу дает опрос, проведенный в Великобритании. [118] Авторы объясняют эти проблемы тесной связью и совпадением с другими технологиями, такими как ксенотрансплантация . Поэтому регулирующие органы не могут заниматься этим отдельно. [118] Регулирование еще более осложняется этическими противоречиями, связанными с этой и смежными областями исследований (например, споры о стволовых клетках , этика трансплантации органов ). Тот же обзор, упомянутый выше [118], на примере трансплантации аутологичного хряща показывает, что конкретная технология может рассматриваться как «чистая» или «загрязненная» одним и тем же социальным субъектом.
Два регуляторных движения наиболее актуальны для тканевой инженерии в Европейском Союзе . Это Директива 2004/23/EC о стандартах качества и безопасности при закупке и переработке тканей человека [121] , принятая Европейским парламентом в 2004 году, и предлагаемый регламент по продуктам, модифицированным человеческими тканями. Последний был разработан под эгидой Генерального директората по предпринимательству Европейской комиссии и представлен в Брюсселе в 2004 году. [122]
