Het vermogen van het menselijk lichaam om weefsels en organen te regenereren is buitengewoon inefficiënt, en het verliezen van menselijk weefsel en organen kan gemakkelijk gebeuren door zaken als aangeboren afwijkingen, ziekten en plotselinge trauma's. Wanneer weefsel sterft (necrose genoemd), kan het niet weer tot leven worden gebracht. Als het niet wordt verwijderd of gerepareerd, kan het andere delen van het lichaam aantasten, zoals omringend weefsel, organen, botten en huid.
Dit is waar weefselmanipulatie nuttig is. Door biomateriaal te gebruiken (materie die interageert met de biologische systemen van het lichaam, zoals cellen en actieve moleculen), kunnen functionele weefsels worden gemaakt om beschadigd menselijk weefsel en organen te helpen herstellen, repareren of vervangen.
Cavan-afbeeldingen / Getty-afbeeldingenEen korte geschiedenis
Weefselengineering is een relatief nieuw vakgebied van de geneeskunde, met onderzoek dat pas in de jaren tachtig van de vorige eeuw begon. Een Amerikaanse bio-ingenieur en wetenschapper genaamd Yuan-Cheng Fung diende een voorstel in bij de National Science Foundation (NSF) voor een onderzoekscentrum dat zich toelegt op levende weefsels. Fung nam het concept van menselijk weefsel over en breidde het uit tot elk levend organisme tussen cellen en organen.
Op basis van dit voorstel noemde de NSF de term "tissue engineering" in een poging om een nieuw gebied van wetenschappelijk onderzoek te vormen. Dit leidde tot de oprichting van The Tissue Engineering Society (TES), die later de Tissue Engineering and Regenerative Medicine International Society (TERMIS) werd.
TERMIS bevordert zowel onderwijs als onderzoek op het gebied van tissue engineering en regeneratieve geneeskunde. Regeneratieve geneeskunde verwijst naar een breder veld dat zich richt op zowel weefselmanipulatie als het vermogen van het menselijk lichaam om zichzelf te genezen om de normale functie van weefsels, organen en menselijke cellen te herstellen.
Doel van weefselengineering
Weefselengineering heeft een paar hoofdfuncties in de geneeskunde en onderzoek: helpen bij weefsel- of orgaanherstel, inclusief botherstel (verkalkt weefsel), kraakbeenweefsel, hartweefsel, pancreasweefsel en vaatweefsel. Het veld doet ook onderzoek naar stamcelgedrag. Stamcellen kunnen zich ontwikkelen tot veel verschillende soorten cellen en kunnen helpen bij het repareren van delen van het lichaam.
Op het gebied van tissue engineering kunnen onderzoekers modellen maken om verschillende ziekten te bestuderen, zoals kanker en hartaandoeningen.
Door de 3D-aard van tissue engineering kan de tumorarchitectuur in een nauwkeuriger omgeving worden bestudeerd. Weefselengineering biedt ook een omgeving om potentiële nieuwe medicijnen op deze ziekten te testen.
Hoe het werkt
Het proces van weefselmanipulatie is ingewikkeld. Het omvat het vormen van een 3D-functioneel weefsel om een weefsel of orgaan in het lichaam te helpen herstellen, vervangen en regenereren. Om dit te doen, worden cellen en biomoleculen gecombineerd met steigers.
Steigers zijn kunstmatige of natuurlijke structuren die echte organen nabootsen (zoals de nier of lever). Het weefsel groeit op deze steigers om het biologische proces of de te vervangen biologische structuur na te bootsen. Wanneer deze samen worden geconstrueerd, wordt nieuw weefsel ontworpen om de staat van het oude weefsel te repliceren wanneer het niet beschadigd of ziek was.
Steigers, cellen en biomoleculen
Steigers, die normaal gesproken worden gemaakt door cellen in het lichaam, kunnen worden gebouwd uit bronnen zoals eiwitten in het lichaam, door de mens gemaakte kunststoffen of uit een bestaande steiger, zoals een van een donororgaan. In het geval van een donororgaan zou de scaffold worden gecombineerd met cellen van de patiënt om aanpasbare organen of weefsels te maken die waarschijnlijk worden afgestoten door het immuunsysteem van de patiënt.
Ongeacht hoe het wordt gevormd, het is deze steigerstructuur die berichten naar de cellen stuurt die de celfuncties in het lichaam helpen ondersteunen en optimaliseren.
Het kiezen van de juiste cellen is een belangrijk onderdeel van weefselmanipulatie. Er zijn twee hoofdtypen stamcellen.
Twee hoofdtypen stamcellen
- Embryonale stamcellen: zijn afkomstig van embryo's, meestal in in vitro bevruchte eitjes (buiten het lichaam).
- Volwassen stamcellen: worden in het lichaam tussen gewone cellen aangetroffen - ze kunnen zich vermenigvuldigen door celdeling om stervende cellen en weefsel aan te vullen.
Er wordt momenteel ook veel onderzoek gedaan naar pluripotente stamcellen (volwassen stamcellen die worden geïnduceerd om zich te gedragen als embryonale stamcellen). In theorie is er een onbeperkte voorraad pluripotente stamcellen, en het gebruik ervan houdt niet de vernietiging van menselijke embryo's in (wat ook een ethisch probleem veroorzaakt). In feite hebben Nobelprijswinnende onderzoekers hun bevindingen over pluripotente stamcellen en hun toepassingen vrijgegeven.
Over het algemeen omvatten biomoleculen vier hoofdklassen (hoewel er ook secundaire klassen zijn): koolhydraten, lipiden, eiwitten en nucleïnezuren. Deze biomoleculen helpen bij het vormen van celstructuur en -functie. Koolhydraten helpen organen zoals de hersenen en het hart te functioneren, evenals systemen die werken zoals het spijsverterings- en immuunsysteem.
Eiwitten zorgen voor antistoffen tegen ziektekiemen en voor structurele ondersteuning en lichaamsbeweging. Nucleïnezuren bevatten DNA en RNA en geven genetische informatie aan cellen.
Medisch gebruik
Weefselengineering wordt niet veel gebruikt voor patiëntenzorg of behandeling. Er zijn een paar gevallen waarbij weefselmanipulatie is toegepast bij huidtransplantaties, kraakbeenherstel, kleine slagaders en blazen bij patiënten. Weefselmanipulatie van grotere organen zoals het hart, de longen en de lever zijn echter nog niet bij patiënten gebruikt (hoewel ze in laboratoria zijn gemaakt).
Afgezien van de risicofactor van het gebruik van weefselmanipulatie bij patiënten, zijn de procedures buitengewoon kostbaar. Hoewel tissue engineering nuttig is als het gaat om medisch onderzoek, vooral bij het testen van nieuwe medicijnformuleringen.
Door levend, functionerend weefsel te gebruiken in een omgeving buiten het lichaam, kunnen onderzoekers winst boeken op het gebied van gepersonaliseerde geneeskunde.
Gepersonaliseerde geneeskunde helpt om te bepalen of sommige medicijnen beter werken voor bepaalde patiënten op basis van hun genetische samenstelling, en vermindert ook de kosten van ontwikkeling en testen op dieren.
Voorbeelden van weefselengineering
Een recent voorbeeld van weefselmanipulatie uitgevoerd door het National Institute of Biomedical Imaging and Bioengineering omvat de engineering van menselijk leverweefsel dat vervolgens in een muis wordt geïmplanteerd. Omdat de muis zijn eigen lever gebruikt, metaboliseert het menselijke leverweefsel medicijnen en bootst het na hoe mensen zouden reageren op bepaalde medicijnen in de muis. Dit helpt onderzoekers om te zien welke mogelijke interacties tussen geneesmiddelen er kunnen zijn met een bepaald medicijn.
In een poging om weefsel te ontwerpen met een ingebouwd netwerk, testen onderzoekers een printer die een vaatachtig netwerk kan maken van een suikeroplossing. De oplossing zou zich vormen en uitharden in het gemanipuleerde weefsel totdat bloed aan het proces wordt toegevoegd, dat door de door de mens gemaakte kanalen gaat.
Ten slotte is het regenereren van de nieren van een patiënt met behulp van de eigen cellen van de patiënt een ander project van het Instituut. Onderzoekers gebruikten cellen uit donororganen om te combineren met biomoleculen en een collageen-scaffold (van het donororgaan) om nieuw nierweefsel te laten groeien.
Dit orgaanweefsel werd vervolgens getest op functioneren (zoals het opnemen van voedingsstoffen en het produceren van urine) zowel buiten als binnen ratten. Vooruitgang op dit gebied van weefselmanipulatie (dat ook op vergelijkbare wijze kan werken voor organen zoals het hart, de lever en de longen) zou kunnen helpen bij het verminderen van donortekorten en het verminderen van ziekten die verband houden met immunosuppressie bij orgaantransplantatiepatiënten.
Hoe het verband houdt met kanker
Gemetastaseerde tumorgroei is een van de redenen dat kanker een belangrijke doodsoorzaak is. Vóór weefselmanipulatie konden tumoromgevingen alleen in 2D-vorm buiten het lichaam worden gecreëerd. Nu stellen 3D-omgevingen, evenals de ontwikkeling en het gebruik van bepaalde biomaterialen (zoals collageen), onderzoekers in staat om naar de omgeving van een tumor te kijken tot aan de micro-omgeving van bepaalde cellen om te zien wat er met de ziekte gebeurt wanneer bepaalde chemische samenstellingen in cellen worden gewijzigd. .
Op deze manier helpt weefselmanipulatie onderzoekers zowel de progressie van kanker te begrijpen als wat de effecten van bepaalde therapeutische benaderingen kunnen zijn op patiënten met hetzelfde type kanker.
Hoewel er vooruitgang is geboekt bij het bestuderen van kanker door middel van weefselmanipulatie, kan tumorgroei vaak de vorming van nieuwe bloedvaten veroorzaken. Dit betekent dat zelfs met de vooruitgang die tissue engineering heeft geboekt met kankeronderzoek, er beperkingen kunnen zijn die alleen kunnen worden geëlimineerd door het gemanipuleerde weefsel in een levend organisme te implanteren.
Bij kanker kan weefselmanipulatie echter helpen vaststellen hoe deze tumoren zich vormen, hoe normale celinteracties eruit zouden moeten zien en hoe kankercellen groeien en uitzaaien. Dit helpt onderzoekers om medicijnen te testen die alleen kankercellen aantasten, in tegenstelling tot het hele orgaan of lichaam.
