Co to jest inżynieria tkankowa?

nżynieria tkankowa to istotne narzędzie, które pomaga w zrozumieniu, w jaki sposób rozwijają się pewne choroby i jak można je leczyć. W Europie zatwierdzono już do użytku szereg terapii opartych na inżynierii tkankowej. Czym jest więc inżynieria tkankowa?

Co to jest inżynieria tkankowa?

Inżynieria tkankowa to część dziedziny bioinżynierii. Bioinżynieria to szeroka dyscyplina, łącząca zagadnienia biologii i inżynierii. Czasem mówi się, że polega na technicznym podejściu do badań biologicznych. 

Jeśli chodzi o ochronę zdrowia, praca bioinżynierów liczy się w takich obszarach, jak projektowanie urządzeń i rozwiązań technicznych (np. obliczanie wszystkich obciążeń mechanicznych, jakie musi przenosić implant stawu), terapia fizyczna (np. badanie, w jaki sposób masa ciała przekłada się na tempo zrastania się złamanej kości) oraz podawanie leków (np. zrozumienie, jak szybko rozkłada się otoczka tabletki i jak szybko lek zaczyna dzięki temu działać). 

Inżynieria tkankowa obejmuje badanie oddziaływań biologicznych, fizycznych i chemicznych, które występują podczas rozwoju tkanek, leczenia urazów i gojenia się ran. Celem inżynierii tkankowej jest odtwarzanie, pielęgnacja, usprawnianie i zastępowanie tkanek biologicznych. Trzeba więc zrozumieć, jak wygląda i zachowuje się zdrowa tkanka i jak dzięki leczeniu przywrócić uszkodzoną tkankę do tego stanu. W tym celu inżynierowie kultur tkankowych muszą w laboratorium wyhodować komórki, które zachowują się tak, jak zdrowe tkanki rozwinięte w ciele („tkanki własne”, „tkanki rodzime” itp.). 

O próbkach tkanek wyhodowanych poza ciałem przy użyciu technik inżynierii tkankowej mówi się często „konstrukty tkankowe”. 

Czym się różni inżynieria tkankowa od medycyny regeneracyjnej?

Terminów „inżynieria tkankowa” i „medycyna regeneracyjna” zwykle używa się zamiennie. Oba odnoszą się do naprawy, pielęgnacji i odtwarzania tkanek biologicznych. Kluczowa różnica polega na tym, że inżynieria tkankowa skupia się na hodowaniu tkanek poza organizmem. Medycyna regeneracyjna skupia się natomiast szczególnie na zastosowaniu technik inżynierii tkankowej w warunkach szpitalnych do naprawy tkanek w organizmie. 

Długofalowym celem wielu badań nad inżynierią tkankową jest stworzenie konstruktu, którego można używać klinicznie, w placówkach ochrony zdrowia. Badania z dziedziny inżynierii tkankowej to niezbędny pierwszy krok na drodze do opracowywania terapii medycyny regeneracyjnej. 

Jakimi zasadami kieruje się inżynieria tkankowa?

Oto trzy podstawowe elementy, na których opiera się inżynieria tkankowa: 

• Komórki macierzyste
• Biokompatybilne trójwymiarowe rusztowanie 
• Bioaktywne cząsteczki 

Komórki macierzyste to takie komórki, które mają zdolność rozwinięcia się (różnicowania) w komórki więcej niż jednego rodzaju. Najbardziej znanym przykładem są zarodkowe komórki macierzyste, które mogą się zmienić w każdy rodzaj komórki organizmu. Komórki macierzyste u dorosłych osób mogą się różnicować na kilka różnych rodzajów komórek, w zależności od tego, w której części ciała powstają. Np. komórki macierzyste uzyskane z tkanki tłuszczowej mogą się różnicować m.in. na komórki kostne, chrzęstne i tłuszczowe. Droga rozwoju komórki zależy od wielu czynników, takich jak siły mechaniczne (np. ruch mięśni w rozwijającym się zarodku) lub poddanie działaniu substancji chemicznych (takich jak cząsteczki sygnałowe krążące we krwi). Więcej na temat różnych rodzajów komórek macierzystych można przeczytać pod tym adresem. 

Rusztowania to trójwymiarowe struktury, które pomagają komórkom macierzystym rozwijać się i przekształcać w określone rodzaje komórek lub tkanek. Komórki w laboratoriach zwykle namnaża się na płaskich powierzchniach lub w postaci zawiesin w płynie. Rusztowanie 3D bliżej odpowiada trójwymiarowej strukturze części ciała.

Istotny jest fakt, że materiał użyty do stworzenia rusztowania jest biokompatybilny – czyli nie niszczy tkanki, z którą się styka. To znaczy, że materiał nie może być toksyczny. Nie może też z czasem rozkładać się na mniejsze części, które mogłyby podrażniać tkankę. Do materiałów inżynierii tkankowej stosowanych w rusztowaniach należy kolagen i niektóre łańcuchy białkowe (proteoglikany)

Rusztowania dla inżynierii tkankowej muszą też być porowate. Komórki macierzyste mogą pokrywać rusztowania (być wysiewane) wyłącznie od zewnątrz. Dlatego rusztowanie musi być wystarczająco porowate, aby rozrastające się komórki mogły przenikać do środka jego rdzenia. Jeśli w konstrukcie komórki pokrywają rusztowanie wyłącznie od zewnątrz, a nie ma ich w rdzeniu, taki twór nie będzie się zachowywał jak normalna tkanka.

Bioaktywne cząsteczki to substancje, które oddziałują na żywą tkankę. W inżynierii tkankowej może to dotyczyć cząsteczek sygnałowych lub czynników wzrostu, które mogą wpływać na sposób różnicowania się komórek macierzystych. Takie bioaktywne cząsteczki może zawierać mieszanina składników odżywczych stosowana do hodowli komórek w laboratorium. Można je też na etapie produkcyjnym umieścić w rusztowaniu 3D. 

Naukowcy badają też, w jaki sposób można wykorzystywać bioaktywne cząsteczki do ulepszenia implantów zaprojektowanych metodą inżynierii tkankowej. Np. rusztowanie może uwalniać lek, który zmniejsza proces zapalny lub który pomaga wszczepionym komórkom osadzić się w docelowej lokalizacji.

Jak można używać inżynierii tkankowej w badaniach nad terapiami z wykorzystaniem genów i komórek macierzystych?

Techniki inżynierii tkankowej służą do hodowli „modeli” w laboratorium. W badaniach znajdują szereg zastosowań. 

• Badanie normalnego rozwoju tkanek. Sztucznie wyhodowane tkanki pozwalają naukowcom obserwować, w jaki sposób komórki macierzyste przekształcają się w określone rodzaje tkanek. Dzięki kontroli środowiska wzrostu specjaliści widzą, jak wprowadzanie pewnych zmian wpływa na rozwój tkanek. Mogą więc znajdować odpowiedzi na szczególnie nurtujące pytania. Podczas prowadzenia badań na zwierzętach i ludziach zawsze występują nieznane czynniki, których nie da się kontrolować. W modelu sztucznie stworzonej tkanki naukowcy mogą kontrolować zmiany środowiska i precyzyjnie mierzyć ich efekty. 
• Badanie chorób na poziomie tkankowym. Naukowcy mogą zmodyfikować środowisko laboratoryjne tak, aby odzwierciedlało daną chorobę. (Np. mogą do mieszanki odżywczej dodawać cząsteczki wywołujące stan zapalny, aby zrozumieć, w jaki sposób artretyzm wpływa na rozwój i naprawę chrząstek.) Inny sposób badania choroby na poziomie tkankowym polega na pobieraniu komórek od chorych pacjentów i porównywaniu ich rozwoju z komórkami uzyskanymi od osób zdrowych.
• Badanie terapii. Sztucznie stworzone konstrukty mogą służyć do badania leków, aby potwierdzić ich bezpieczeństwo dla danego rodzaju tkanki lub aby przekonać się, jak wpływają na model danej choroby.

Obecne i potencjalne wykorzystanie terapeutyczne

Inżynierię tkankową stosuje się w następujących zatwierdzonych do użytku terapiach: 

• Spherox (CO.DON.AG, zatwierdzona w UE w 2017 r.), stosowana do leczenia uszkodzeń chrząstki w stawach kolanowych. W tej terapii pobiera się komórki od pacjenta, a następnie wyizolowuje się z nich komórki, które mogą się przekształcić w chrząstkę. Tak przygotowane komórki namnaża się do postaci sferycznych grudek (sferoid). Sferoidy wszczepia się w miejscu uszkodzenia chrząstki, w którym przyłączają się do tkanki chrzęstnej. W połączeniu ze stosowanym równolegle programem fizjoterapii, implanty z czasem rozrastają się i wypełniają uszkodzenia, co zmniejsza ból i usprawnia ruchomość. 

Naukowcy badają też, czy sztucznie wyhodowane tkanki można wykorzystywać do tworzenia m.in. następujących przeszczepów i implantów: 

• Skóra do leczenia poważnych oparzeń 
• Zastawki serca dla osób z chorobami zastawek 
• Tkanka nerwowa do naprawy uszkodzonych lub przerwanych nerwów 
• Tkanka naczyń krwionośnych 
• Tkanka kostna zastępująca kość utraconą w wyniku urazu lub zakażenia 
• Tkanka jelita do leczenia zespołu krótkiego jelita 

Ta lista nie jest oczywiście zamknięta. Badania z zakresu inżynierii tkankowej znajdują zastosowanie w leczeniu chorób wrodzonych, tkanek zmienionych chorobowo i obrażeń. 

Jakie wyzwania stoją przed stosowaniem inżynierii tkankowej w opracowywaniu terapii?

• Pozyskiwanie odpowiednich komórek. Tkanki to mieszanina różnych rodzajów komórek, dlatego naukowcy muszą opracowywać metody pozyskiwania i izolacji odpowiedniego rodzaju niezróżnicowanych komórek od pacjentów lub dawców. W przeciwnym razie nie da się wyhodować właściwej tkanki. 
• Zrozumienie, jakie czynniki mają wpływ na różnicowanie się komórek. Ciało ludzkie to o wiele bardziej złożone środowisko rozwoju komórek niż laboratorium, w którym można kontrolować wszystkie substancje chemiczne, składniki odżywcze i oddziaływania fizyczne. Oznacza to, że po wszczepieniu do organizmu tkanka wyhodowana w laboratorium zostanie wystawiona na działanie innego środowiska. Naukowcy muszą zrozumieć, jak funkcjonuje środowisko organizmu, aby uniknąć przekształcenia się implantu w niewłaściwy rodzaj komórek (np. w kość, a nie w chrząstkę). 
• Odtwarzanie pierwotnych funkcji tkanki. Nie zawsze wystarcza sama możliwość hodowania konkretnego rodzaju tkanki. Niektóre tkanki zachowują się inaczej w innych częściach ciała. Np. właściwości mechaniczne chrząstki na powierzchni stawu różnią się od właściwości chrząstki przylegającej bezpośrednio do kości. To znaczy, że implant naprawiający głębokie uszkodzenie chrząstki musiałby obejmować taki sam zakres, jak pierwotna tkanka chrzęstna.
• Integracja komórek w miejscu wszczepienia implantu. Aby w pełni umieścić implant i zintegrować go z otoczeniem, tkanka wyhodowana sztucznie i tkanka własna pacjenta muszą się nawzajem poprzerastać i połączyć. Jeśli implant z tkanki laboratoryjnej nie zintegruje się z organizmem, miejsce urazu może się nie zagoić prawidłowo. 
• Ocena długoterminowych skutków implantacji komórek. Podobnie jak w przypadku każdej nowej technologii, naukowcy muszą monitorować stworzone w laboratorium konstrukty przez długi czas, aby upewnić się, że są bezpieczne i zachowują się w przewidywalny sposób.

Więcej informacji

Artykuł na temat inżynierii tkankowej i medycyny regeneracyjnej Tissue Engineering and Regenerative Medicine, NIH – https://www.nibib.nih.gov/science-education/science-topics/tissue-engineering-and-regenerative-medicine 

Więcej na ten temat: https://www.ncbi.nlm.nih.gov/pmc/articles/PMC2475566/