Översikt över vävnadsteknik

Människokroppens förmåga att regenerera vävnader och organ är extremt ineffektiv och att förlora mänsklig vävnad och organ kan hända lätt på grund av saker som medfödda defekter, sjukdomar och plötsligt trauma. När vävnad dör (kallas nekros) kan den inte återföras till liv - om den inte tas bort eller repareras kan den påverka andra delar av kroppen, såsom omgivande vävnad, organ, ben och hud.

Det är här vävnadsteknik är användbart. Genom att använda biomaterial (materia som interagerar med kroppens biologiska system som celler och aktiva molekyler) kan funktionella vävnader skapas för att återställa, reparera eller ersätta skadad mänsklig vävnad och organ.

En kort historia

Vävnadsteknik är ett relativt nytt område inom medicin, med forskning som först började på 1980-talet. En amerikansk biotekniker och forskare vid namn Yuan-Cheng Fung lämnade in ett förslag till National Science Foundation (NSF) om att ett forskningscenter ska ägnas åt levande vävnader. Fung tog begreppet mänsklig vävnad och utvidgade det till att gälla för alla levande organism mellan celler och organ.

Baserat på detta förslag märkte NSF termen ”vävnadsteknik” i ett försök att bilda ett nytt fält av vetenskaplig forskning. Detta ledde till bildandet av The Tissue Engineering Society (TES), som senare blev Tissue Engineering and Regenerative Medicine International Society (TERMIS).

TERMIS främjar både utbildning och forskning inom vävnadsteknik och regenerativ medicin. Regenerativ medicin hänvisar till ett bredare fält som fokuserar på både vävnadsteknik såväl som människokroppens förmåga att självläka sig själv för att återställa normal funktion till vävnad, organ och mänskliga celler.

Syfte med vävnadsteknik

Vävnadsteknik har några huvudfunktioner inom medicin och forskning: hjälp med reparation av vävnad eller organ inklusive benreparation (förkalkad vävnad), broskvävnad, hjärtvävnad, bukspottkörtelvävnad och kärlvävnad. Fältet bedriver också forskning om stamcellsbeteende. Stamceller kan utvecklas till många olika typer av celler och kan hjälpa till att reparera delar av kroppen.

Inom området vävnadsteknik kan forskare skapa modeller för att studera olika sjukdomar, såsom cancer och hjärtsjukdomar.

Vävnadsteknikens 3D-natur gör det möjligt att studera tumörarkitektur i en mer exakt miljö. Vävnadsteknik ger också en miljö för att testa potentiella nya läkemedel på dessa sjukdomar.

Hur det fungerar

Processen för vävnadsteknik är komplicerad. Det handlar om att forma en 3D-funktionell vävnad för att reparera, ersätta och regenerera en vävnad eller ett organ i kroppen. För att göra detta kombineras celler och biomolekyler med byggnadsställningar.

Byggnadsställningar är konstgjorda eller naturliga strukturer som efterliknar verkliga organ (såsom njure eller lever). Vävnaden växer på dessa byggnadsställningar för att efterlikna den biologiska processen eller strukturen som behöver bytas ut. När dessa är konstruerade tillsammans konstrueras ny vävnad för att replikera den gamla vävnadens tillstånd när den inte skadades eller blev sjuk.

Byggnadsställningar, celler och biomolekyler

Byggnadsställningar, som normalt skapas av celler i kroppen, kan byggas från källor såsom proteiner i kroppen, konstgjorda plaster eller från en befintlig byggnadsställning, såsom en från ett donatororgan. När det gäller ett donatororgan skulle ställningen kombineras med celler från patienten för att skapa anpassningsbara organ eller vävnader som faktiskt sannolikt kommer att avvisas av patientens immunsystem.

Oavsett hur den bildas är det denna byggnadsstruktur som skickar meddelanden till cellerna som hjälper till att stödja och optimera cellfunktioner i kroppen.

Att välja rätt celler är en viktig del av vävnadsteknik. Det finns två huvudtyper av stamceller.

Två huvudtyper av stamceller

• Embryonala stamceller: härstammar från embryon, vanligtvis i ägg som har befruktats in vitro (utanför kroppen).
• Vuxna stamceller: finns i kroppen bland vanliga celler - de kan multiplicera med celldelning för att fylla på döende celler och vävnader.

Det pågår för närvarande mycket forskning på pluripotenta stamceller (vuxna stamceller som induceras att bete sig som embryonala stamceller). I teorin finns det ett obegränsat utbud av pluripotenta stamceller, och användningen av dem innebär inte att man förstör mänskliga embryon (vilket också orsakar ett etiskt problem). I själva verket släppte Nobelprisvinnande forskare sina resultat om pluripotenta stamceller och deras användning.

Sammantaget innehåller biomolekyler fyra huvudklasser (även om det också finns sekundära klasser): kolhydrater, lipider, proteiner och nukleinsyror. Dessa biomolekyler hjälper till att bilda cellstruktur och funktion. Kolhydrater hjälper organ som hjärnan och hjärtfunktionen, liksom system som fungerar som matsmältnings- och immunsystemet.

Proteiner ger antikroppar mot bakterier såväl som strukturellt stöd och kroppsrörelse. Nukleinsyror innehåller DNA och RNA, vilket ger celler genetisk information.

Medicinsk användning

Vävnadsteknik används inte i stor utsträckning för patientvård eller behandling. Det har förekommit några fall som har använt vävnadsteknik vid hudtransplantat, reparation av brosk, små artärer och urinblåsor hos patienter. Vävnadskonstruerade större organ som hjärta, lungor och lever har dock inte använts hos patienter ännu (även om de har skapats i laboratorier).

Bortsett från riskfaktorn för att använda vävnadsteknik hos patienter är procedurerna extremt kostsamma. Även om vävnadsteknik är till hjälp när det gäller medicinsk forskning, särskilt när man testar nya läkemedelsformuleringar.

Att använda levande, fungerande vävnad i en miljö utanför kroppen hjälper forskare att vinna vinster inom personlig medicin.

Personaliserad medicin hjälper till att avgöra om vissa läkemedel fungerar bättre för vissa patienter baserat på deras genetiska sammansättning, samt minskar kostnaderna för utveckling och testning på djur.

Exempel på vävnadsteknik

Ett nyligen visat exempel på vävnadsteknik som genomförts av National Institute of Biomedical Imaging and Bioengineering inkluderar konstruktion av en mänsklig levervävnad som sedan implanteras i en mus. Eftersom musen använder sin egen lever metaboliserar den mänskliga levervävnaden droger och härmar hur människor skulle svara på vissa mediciner inuti musen. Detta hjälper forskare att se vilka möjliga läkemedelsinteraktioner det kan finnas med en viss medicinering.

I ett försök att konstruera vävnad med ett inbyggt nätverk testar forskare en skrivare som skulle göra ett kärlliknande nätverk från en sockerlösning. Lösningen skulle bildas och härda i den konstruerade vävnaden tills blod tillsätts till processen och reser genom de konstgjorda kanalerna.

Slutligen är regenereringen av en patients njurar med hjälp av patientens egna celler ett annat projekt från institutet. Forskare använde celler från donatororgan för att kombinera med biomolekyler och en kollagenställning (från donatororganet) för att odla ny njure vävnad.

Denna organvävnad testades sedan för funktion (såsom att absorbera näringsämnen och producera urin) både utanför och sedan inuti råttor. Framsteg inom detta område av vävnadsteknik (som också kan fungera på samma sätt för organ som hjärta, lever och lungor) kan hjälpa till med brist på givare och minska eventuella sjukdomar i samband med immunsuppression hos organtransplantationspatienter.

Hur det relaterar till cancer

Metastatisk tumörtillväxt är en av anledningarna till att cancer är en ledande dödsorsak. Före vävnadsteknik kunde tumörmiljöer bara skapas utanför kroppen i 2D-form. Nu tillåter 3D-miljöer, liksom utveckling och användning av vissa biomaterial (som kollagen), forskare att titta på en tumörs miljö ner till mikromiljön i vissa celler för att se vad som händer med sjukdomen när vissa kemiska kompositioner i celler förändras .

På detta sätt hjälper vävnadsteknik forskare att förstå både cancerprogression och vad effekterna av vissa terapeutiska metoder kan ha på patienter med samma typ av cancer.

Medan framsteg har gjorts när det gäller att studera cancer genom vävnadsteknik kan tumörtillväxt ofta orsaka att nya blodkärl bildas. Detta innebär att även med de framsteg som vävnadsteknik har gjort med cancerforskning kan det finnas begränsningar som bara kan elimineras genom att implantera den konstruerade vävnaden i en levande organism.

Med cancer kan dock vävnadsteknik hjälpa till att fastställa hur dessa tumörer bildas, hur normala cellinteraktioner ska se ut, liksom hur cancerceller växer och metastaserar. Detta hjälper forskare att testa läkemedel som bara påverkar cancerceller, i motsats till hela organet eller kroppen.