Η ικανότητα του ανθρώπινου σώματος να αναγεννά τους ιστούς και τα όργανα είναι εξαιρετικά αναποτελεσματική και η απώλεια ανθρώπινου ιστού και οργάνων μπορεί να συμβεί εύκολα λόγω πραγμάτων όπως συγγενείς ανωμαλίες, ασθένειες και ξαφνικό τραύμα. Όταν ο ιστός πεθαίνει (ονομάζεται νέκρωση), δεν μπορεί να ξαναζωντανεύει - εάν δεν αφαιρεθεί ή επισκευαστεί, μπορεί να επηρεάσει άλλες περιοχές του σώματος, όπως τους γύρω ιστούς, τα όργανα, τα οστά και το δέρμα.
Αυτό είναι όπου η μηχανική ιστών είναι χρήσιμη. Χρησιμοποιώντας βιοϋλικό (ύλη που αλληλεπιδρά με τα βιολογικά συστήματα του σώματος, όπως κύτταρα και ενεργά μόρια), λειτουργικοί ιστοί μπορούν να δημιουργηθούν για να βοηθήσουν στην αποκατάσταση, επισκευή ή αντικατάσταση κατεστραμμένου ανθρώπινου ιστού και οργάνων.
Εικόνες Cavan / Getty ImagesΜια σύντομη ιστορία
Η μηχανική ιστών είναι ένας σχετικά νέος τομέας της ιατρικής, με την έρευνα να ξεκινά μόνο τη δεκαετία του 1980. Ένας Αμερικανός βιομηχανικός και επιστήμονας με το όνομα Yuan-Cheng Fung υπέβαλε πρόταση στο Εθνικό Ίδρυμα Επιστημών (NSF) για ένα ερευνητικό κέντρο αφιερωμένο στους ζωντανούς ιστούς. Ο Fung πήρε την έννοια του ανθρώπινου ιστού και τον επέκτεινε για να εφαρμοστεί σε οποιονδήποτε ζωντανό οργανισμό μεταξύ κυττάρων και οργάνων.
Με βάση αυτήν την πρόταση, το NSF χαρακτήρισε τον όρο «μηχανική ιστών» σε μια προσπάθεια να σχηματίσει ένα νέο πεδίο επιστημονικής έρευνας. Αυτό οδήγησε στο σχηματισμό της Tissue Engineering Society (TES), η οποία αργότερα έγινε η Tissue Engineering and Regenerative Medicine International Society (TERMIS).
Το TERMIS προωθεί τόσο την εκπαίδευση όσο και την έρευνα στον τομέα της μηχανικής ιστών και της αναγεννητικής ιατρικής. Η αναγεννητική ιατρική αναφέρεται σε ένα ευρύτερο πεδίο που επικεντρώνεται τόσο στη μηχανική ιστών όσο και στην ικανότητα του ανθρώπινου σώματος να αυτοθεραπευτεί προκειμένου να αποκαταστήσει τη φυσιολογική λειτουργία στους ιστούς, τα όργανα και τα ανθρώπινα κύτταρα.
Σκοπός της μηχανικής ιστών
Η μηχανική ιστών έχει μερικές βασικές λειτουργίες στην ιατρική και την έρευνα: βοηθώντας στην επισκευή ιστών ή οργάνων, συμπεριλαμβανομένης της επισκευής των οστών (ασβεστοποιημένος ιστός), του χόνδρου, του καρδιακού ιστού, του ιστού του παγκρέατος και του αγγειακού ιστού. Το πεδίο διεξάγει επίσης έρευνα για τη συμπεριφορά των βλαστικών κυττάρων. Τα βλαστικά κύτταρα μπορούν να αναπτυχθούν σε πολλούς διαφορετικούς τύπους κυττάρων και μπορούν να βοηθήσουν στην επισκευή περιοχών του σώματος.
Ο τομέας της μηχανικής ιστών επιτρέπει στους ερευνητές να δημιουργήσουν μοντέλα για τη μελέτη διαφόρων ασθενειών, όπως ο καρκίνος και οι καρδιακές παθήσεις.
Η τρισδιάστατη φύση της μηχανικής ιστών επιτρέπει την μελέτη της αρχιτεκτονικής των όγκων σε ένα πιο ακριβές περιβάλλον. Η μηχανική ιστών παρέχει επίσης ένα περιβάλλον για τη δοκιμή πιθανών νέων φαρμάκων σε αυτές τις ασθένειες.
Πως δουλεύει
Η διαδικασία της μηχανικής ιστών είναι περίπλοκη. Περιλαμβάνει το σχηματισμό ενός λειτουργικού ιστού 3D για να βοηθήσει στην επισκευή, την αντικατάσταση και την αναγέννηση ενός ιστού ή ενός οργάνου στο σώμα. Για να γίνει αυτό, τα κύτταρα και τα βιομόρια συνδυάζονται με ικριώματα.
Τα ικριώματα είναι τεχνητές ή φυσικές δομές που μιμούνται πραγματικά όργανα (όπως τα νεφρά ή το ήπαρ). Ο ιστός αναπτύσσεται σε αυτά τα ικριώματα για να μιμηθεί τη βιολογική διαδικασία ή δομή που πρέπει να αντικατασταθεί. Όταν αυτά κατασκευάζονται μαζί, ο νέος ιστός κατασκευάζεται για να αναπαράγει την κατάσταση του παλιού ιστού όταν δεν υπέστη ζημιά ή ασθένεια.
Σκαλωσιές, κύτταρα και βιομόρια
Τα ικριώματα, τα οποία συνήθως δημιουργούνται από κύτταρα στο σώμα, μπορούν να κατασκευαστούν από πηγές όπως πρωτεΐνες στο σώμα, τεχνητά πλαστικά ή από ένα υπάρχον ικρίωμα, όπως ένα από ένα όργανο δότη. Στην περίπτωση ενός οργάνου δότη, το ικρίωμα θα συνδυαζόταν με κύτταρα του ασθενούς για να δημιουργήσει προσαρμόσιμα όργανα ή ιστούς που στην πραγματικότητα είναι πιθανό να απορριφθούν από το ανοσοποιητικό σύστημα του ασθενούς.
Ανεξάρτητα από το πώς σχηματίζεται, αυτή η δομή ικριώματος στέλνει μηνύματα στα κελιά που βοηθούν στην υποστήριξη και τη βελτιστοποίηση των λειτουργιών των κυττάρων στο σώμα.
Η επιλογή των σωστών κυττάρων είναι ένα σημαντικό μέρος της μηχανικής ιστών. Υπάρχουν δύο κύριοι τύποι βλαστικών κυττάρων.
Δύο κύριοι τύποι βλαστικών κυττάρων
- Εμβρυϊκά βλαστοκύτταρα: προέρχονται από έμβρυα, συνήθως σε αυγά που έχουν γονιμοποιηθεί in vitro (έξω από το σώμα).
- Βλαστοκύτταρα ενηλίκων: βρίσκονται μέσα στο σώμα μεταξύ των κανονικών κυττάρων - μπορούν να πολλαπλασιαστούν με κυτταρική διαίρεση για να αναπληρώσουν τα κύτταρα και τους ιστούς που πεθαίνουν.
Επί του παρόντος, διεξάγεται πολλή έρευνα σχετικά με τα πολυδύναμα βλαστικά κύτταρα (ενήλικα βλαστικά κύτταρα που προκαλούνται να συμπεριφέρονται σαν εμβρυϊκά βλαστικά κύτταρα). Θεωρητικά, υπάρχει απεριόριστη παροχή πολυδύναμων βλαστικών κυττάρων και η χρήση τους δεν περιλαμβάνει το ζήτημα της καταστροφής των ανθρώπινων εμβρύων (που προκαλεί επίσης ηθικό πρόβλημα). Στην πραγματικότητα, οι βραβευμένοι με Νόμπελ ερευνητές δημοσίευσαν τα ευρήματά τους σχετικά με τα πολυδύναμα βλαστικά κύτταρα και τις χρήσεις τους.
Συνολικά, τα βιομόρια περιλαμβάνουν τέσσερις κύριες τάξεις (αν και υπάρχουν και δευτερογενείς τάξεις): υδατάνθρακες, λιπίδια, πρωτεΐνες και νουκλεϊκά οξέα. Αυτά τα βιομόρια βοηθούν στη σύνθεση και τη λειτουργία των κυττάρων. Οι υδατάνθρακες βοηθούν όργανα όπως ο εγκέφαλος και η καρδιά να λειτουργούν, καθώς και συστήματα που λειτουργούν όπως το πεπτικό και το ανοσοποιητικό σύστημα.
Οι πρωτεΐνες παρέχουν αντισώματα κατά των μικροβίων καθώς και δομική υποστήριξη και κίνηση του σώματος. Τα νουκλεϊκά οξέα περιέχουν DNA και RNA, δίνοντας γενετικές πληροφορίες στα κύτταρα.
Ιατρική χρήση
Η μηχανική ιστών δεν χρησιμοποιείται ευρέως για τη φροντίδα ή τη θεραπεία ασθενών. Υπήρξαν μερικές περιπτώσεις που έχουν χρησιμοποιήσει μηχανική ιστών σε μοσχεύματα δέρματος, επιδιόρθωση χόνδρου, μικρές αρτηρίες και κύστεις σε ασθενείς. Ωστόσο, τα μεγαλύτερα όργανα που έχουν κατασκευαστεί από ιστούς όπως η καρδιά, οι πνεύμονες και το ήπαρ δεν έχουν ακόμη χρησιμοποιηθεί σε ασθενείς (αν και έχουν δημιουργηθεί σε εργαστήρια).
Εκτός από τον παράγοντα κινδύνου της χρήσης μηχανικής ιστών σε ασθενείς, οι διαδικασίες είναι εξαιρετικά δαπανηρές. Αν και η μηχανική ιστών είναι χρήσιμη όταν πρόκειται για ιατρική έρευνα, ιδιαίτερα όταν δοκιμάζουμε νέα σκευάσματα φαρμάκων.
Η χρήση ζωντανών, λειτουργικών ιστών σε περιβάλλον εκτός του σώματος βοηθά τους ερευνητές να κάνουν κέρδη στην εξατομικευμένη ιατρική.
Η εξατομικευμένη ιατρική βοηθά στον προσδιορισμό εάν ορισμένα φάρμακα λειτουργούν καλύτερα για ορισμένους ασθενείς με βάση τη γενετική τους σύνθεση, καθώς και μειώνει το κόστος ανάπτυξης και δοκιμών σε ζώα.
Παραδείγματα μηχανικής ιστών
Ένα πρόσφατο παράδειγμα μηχανικής ιστών που διεξήχθη από το Εθνικό Ινστιτούτο Βιοϊατρικής Απεικόνισης και Βιομηχανικής περιλαμβάνει τη μηχανική ενός ανθρώπινου ήπατος ιστού που στη συνέχεια εμφυτεύεται σε ποντίκι. Δεδομένου ότι το ποντίκι χρησιμοποιεί το δικό του συκώτι, ο ανθρώπινος ηπατικός ιστός μεταβολίζει φάρμακα, μιμείται πώς οι άνθρωποι θα ανταποκρίνονταν σε ορισμένα φάρμακα μέσα στο ποντίκι. Αυτό βοηθά τους ερευνητές να δουν τι πιθανές αλληλεπιδράσεις φαρμάκων μπορεί να υπάρχουν με ένα συγκεκριμένο φάρμακο.
Σε μια προσπάθεια να κατασκευαστεί ιστός με ένα ενσωματωμένο δίκτυο, οι ερευνητές δοκιμάζουν έναν εκτυπωτή που θα έκανε ένα αγγειακό δίκτυο από μια λύση ζάχαρης. Η λύση θα σχηματίζεται και θα σκληραίνει στον μηχανικό ιστό έως ότου προστεθεί αίμα στη διαδικασία, διασχίζοντας τα τεχνητά κανάλια.
Τέλος, η αναγέννηση των νεφρών ενός ασθενούς χρησιμοποιώντας τα κύτταρα του ίδιου του ασθενούς είναι ένα άλλο έργο του Ινστιτούτου. Οι ερευνητές χρησιμοποίησαν κύτταρα από όργανα δότες για να συνδυαστούν με βιομόρια και ένα ικρίωμα κολλαγόνου (από το όργανο δότη) για να αναπτύξουν νέο νεφρικό ιστό.
Στη συνέχεια, αυτός ο ιστός οργάνων δοκιμάστηκε για λειτουργία (όπως απορρόφηση θρεπτικών ουσιών και παραγωγή ούρων) τόσο έξω όσο και μέσα σε αρουραίους. Η πρόοδος σε αυτόν τον τομέα της μηχανικής ιστών (η οποία μπορεί επίσης να λειτουργήσει παρόμοια για όργανα όπως η καρδιά, το ήπαρ και οι πνεύμονες) θα μπορούσε να βοηθήσει στην έλλειψη δότη καθώς και στη μείωση τυχόν ασθενειών που σχετίζονται με ανοσοκαταστολή σε ασθενείς με μεταμόσχευση οργάνων.
Πώς σχετίζεται με τον καρκίνο
Η ανάπτυξη του μεταστατικού όγκου είναι ένας από τους λόγους που ο καρκίνος είναι η κύρια αιτία θανάτου. Πριν από τη μηχανική ιστών, περιβάλλοντα όγκου μπόρεσαν να δημιουργηθούν μόνο έξω από το σώμα σε 2D μορφή. Τώρα, τα τρισδιάστατα περιβάλλοντα, καθώς και η ανάπτυξη και χρήση ορισμένων βιοϋλικών (όπως το κολλαγόνο), επιτρέπουν στους ερευνητές να κοιτάξουν το περιβάλλον ενός όγκου μέχρι το μικροπεριβάλλον ορισμένων κυττάρων για να δουν τι συμβαίνει στην ασθένεια όταν τροποποιούνται ορισμένες χημικές συνθέσεις στα κύτταρα .
Με αυτόν τον τρόπο, η μηχανική ιστών βοηθά τους ερευνητές να κατανοήσουν τόσο την πρόοδο του καρκίνου όσο και ποιες είναι οι επιπτώσεις ορισμένων θεραπευτικών προσεγγίσεων σε ασθενείς με τον ίδιο τύπο καρκίνου.
Ενώ έχει σημειωθεί πρόοδος στη μελέτη του καρκίνου μέσω μηχανικής ιστών, η ανάπτυξη όγκων μπορεί συχνά να προκαλέσει τη δημιουργία νέων αιμοφόρων αγγείων. Αυτό σημαίνει ότι ακόμη και με τις εξελίξεις που έχει κάνει η μηχανική ιστών με την έρευνα για τον καρκίνο, μπορεί να υπάρχουν περιορισμοί που μπορούν να εξαλειφθούν μόνο με την εμφύτευση του μηχανικού ιστού σε έναν ζωντανό οργανισμό.
Με τον καρκίνο, ωστόσο, η μηχανική ιστών μπορεί να βοηθήσει στον προσδιορισμό του τρόπου με τον οποίο σχηματίζονται αυτοί οι όγκοι, πώς θα πρέπει να φαίνονται οι φυσιολογικές αλληλεπιδράσεις των κυττάρων, καθώς και πώς τα καρκινικά κύτταρα αναπτύσσονται και μεταστάσεις. Αυτό βοηθά τους ερευνητές να δοκιμάσουν φάρμακα που θα επηρεάσουν μόνο τα καρκινικά κύτταρα, σε αντίθεση με ολόκληρο το όργανο ή το σώμα.
