Регенерация тела изнутри с использованием биоматериалов
Два подхода к использованию биоматериалов. В более традиционном подходе (слева) конструкция биоматериала смешивается с клетками и биомолекулами вне тела, а затем развивается во внешнем биореакторе. Структура затем имплантируется в тело. В более недавно используемом подходе (in situ) (справа) биоматериалы создаются без добавления клеток перед имплантацией в организм. Имплантируемые материалы затем стимулируют и усиливают собственные механизмы клеточного и химического исцеления организма. Предоставлено: Ахилеш К. Гахарвар.

Успешная регенерация тканей может иметь значительные преимущества при заживлении травм или замене частей больной или поврежденной ткани в кости, коже, нервной системе и в таких органах, как мышцы, почки, печень, легкие и сердце. Но эффективность собственной системы организма для устранения таких повреждений может сильно различаться, в зависимости от типа ткани и ее расположения. Инженеры по тканям работали над устранением этих ограничений, создавая вещества, называемые биоматериалами, которые могут использоваться различными способами для повышения способности организма к заживлению. В недавней публикации в Nature Reviews Materials Али Хадемхоссейни, доктор философии, директор и генеральный директор Института Терасаки, и его коллеги обсуждают использование биоматериалов для регенерации тканей.

При использовании биоматериалов обычно используются два широких подхода. В первом и более традиционном подходе биоматериалы смешивают с соответствующими клетками и биомолекулами вне тела и затем имплантируют в поврежденную область. Затем имплантированной конструкции позволяют развиваться в ткани, которые будут функционировать и регенерировать в качестве замены поврежденной ткани. Во втором подходе специально разработанные биоматериалы создаются без добавления клеток перед имплантацией в организм. Имплантированные материалы предназначены для стимулирования и усиления собственных клеточных и химических механизмов заживления организма для производства регенерированной ткани.

Оба подхода могут быть эффективными, но у второго подхода есть определенные преимущества; это стимулировало недавнюю тенденцию к его использованию. Поскольку процедура не предусматривает использование живых клеток при составлении биоматериалов, их имплантация в организм не подвержена такому количеству регуляторных барьеров. Существует также больше систем биоматериалов, доступных для клинического использования с таким подходом, и это позволяет разрабатывать различные биоматериалы для продвижения и регулирования многих событий, которые являются частью естественного процесса заживления в организме.

Когда тело получает травму, происходит три этапа: воспаление, образование новой ткани и ремоделирование ткани. На стадии воспаления различные иммунные клетки перемещаются к месту повреждения, удаляя мертвые клетки и признаки инфекции и отправляя сигналы для набора дополнительных клеток, необходимых для замены поврежденных. На втором этапе рекрутированные клетки начинают размножаться и формируют клеточный матрикс на сайте, поддерживаемый сетью кровеносных сосудов. На третьем этапе матрица реорганизуется и повторно синтезируется для создания новой ткани.

Исследователи могут создавать биоматериалы, которые влияют на события на любом из этих этапов. Одним из способов достижения этого является изменение физических и химических характеристик биоматериалов. Эти факторы сильно влияют на клеточную функцию, миграцию и пролиферацию. Физические характеристики, такие как жесткость, размер и распределение пор, текстура поверхности и скорость деградации биоматериалов, можно манипулировать, чтобы облегчить привлечение собственных восстановительных клеток организма к месту повреждения. Химическими свойствами биоматериалов также можно манипулировать, чтобы представить биомолекулы, которые будут стимулировать пополненные клетки расти и размножаться.

Другое важное влияние биоматериалов заключается в использовании ими «перепрограммирования» регенеративных клеток организма на генетическом уровне. Могут быть созданы биоматериалы, которые будут обеспечивать факторы, которые будут контролировать экспрессию генов, необходимых для изменения клеток от одного типа к другому. Другие факторы могут быть доставлены, что приведет к производству белков, необходимых для восстановления тканей. Еще другие факторы могут быть доставлены биоматериалами через наночастицы, несущие инструменты редактирования генов. Эти инструменты могут выполнять точное генетическое редактирование в клетках, участвующих в процессе заживления.

Достижения, достигнутые в производстве биоматериалов, таких как трехмерная печать, и диверсификация его биоматериалов или био-чернил, повысили способность более точно создавать сложные или нестандартные конструкции для имплантации. Многие другие достижения в этой области могут произойти в ближайшем будущем.

Недавние успехи, достигнутые в разработке биоматериалов, увеличили его потенциал для использования в расширении природных возможностей организма. Будущие методы определения характеристик биоматериалов, такие как платформы искусственного интеллекта и методы «омика», могут дать более глубокое понимание молекулярного уровня. Движение в этом направлении может привести к большему успеху в разработке следующего поколения биологически чувствительных материалов.

«Использование регенеративного потенциала человеческого организма с помощью сконструированных биоматериалов является простым и эффективным подходом для замены поврежденных или пораженных тканей. Таким образом, ожидается, что разработка биореактивных материалов следующего поколения для регулирования поведения эндогенных клеток играют ключевую роль в регенерации тканей in situ «, — сказал Ахилеш К. Гахарвар, доктор философии, первый автор исследования и доцент кафедры биомедицинской инженерии в Техасском университете A & M.

«Ожидается, что, когда мы узнаем больше о биологических механизмах, регулирующих организм, это позволит разработать еще более качественные биоматериалы для регенерации тканей, — сказал Хадемхоссейни, — эта область исследований является важным компонентом множества толчков в рамках Институт Терасаки и, вероятно, изменит будущее медицины. «




Добавить комментарий

Ваш e-mail не будет опубликован. Обязательные поля помечены *