Нанотехнологии в тканевой инженерии и регенеративной медицине

Суть методов тканевой инженерии и регенеративной медицины состоит в применении биологических, химических и инженерных принципов для восстановления или регенерации тканей с помощью биологических материалов, клеток и факторов — по отдельности или в сочетании.

Тканевая инженерия — набор методов для создания трехмерной структуры ткани или органа из соответствующего типа клеток.

Создание тканеинженерного имплантата (графта) включает несколько этапов:

 

1. отбор и культивирование собственного или донорского клеточного материала;

2. разработка специального носителя для клеток - матрицы (скаффолда) на основе биосовместимых материалов;

3. нанесение культуры клеток на матрицу и размножение клеток в биореакторе со специальными условиями культивирования

 (поддержанием в нем определенной температуры, подводом питательных веществ и факторов роста, отводом продуктов жизнедеятельности клеток, созданием условий, аналогичных условиям функционирования выращиваемого органа в организме);

4. непосредственное внедрение графта в область пораженного органа (графтинг) или предварительное размещение в области, хорошо снабжаемой кровью, для дозревания и формирования микроциркуляции внутри графта (префабрикация).

 

Ниже кратко рассказано о первых двух этапах тканевой инженерии:

 

Клеточный материал может быть представлен клетками регенерируемой ткани или стволовыми клетками.

Стволовые клетки — недифференцированные клетки (еще не получившие специализацию), которые имеют способность к делению, самообновлению и дифференцировке в различные типы специализированных клеток под воздействием конкретных биологических стимулов.

Стволовые клетки подразделяются на «взрослые» и «эмбриональные». Эмбриональные стволовые клетки образуются из внутренней клеточной массы развития зародыша на ранней стадии, а взрослые — из тканей взрослого организма (жировой ткани, ткани костного мозга и др.). Существует этическая проблема, связанная с неизбежным разрушением человеческого эмбриона при получении эмбриональных стволовых клеток, поэтому предпочтительнее забор клеток из тканей взрослого организма.

 

Разработка матрицы (скаффолда)

Культивируемые клетки утрачивают способность к формированию пространственной структуры и образуют плоские слои без анатомических особенностей. Воссоздание трехмерной структуры достигается путем посева клеток на искусственную матрицу или носитель, которые стимулируют образование пространственной структуры, что является важным элементом тканевой инженерии. Матрица для тканевой инженерии должна быть биосовместима, биологически активна, биоразлагаема или способна к саморазрушению, также она должна обладать нужными механическими свойствами и пористостью. Помимо этого, продукты разложения матрицы не могут быть токсичны.

Создаваемые матрицы функционально должны выполнять ту же роль, что и внеклеточный матрикс (ВКМ) в живых организмах.

 

Внеклеточный матрикс (ВКМ) — способная к самосборке сеть нановолокон, построенная из макромолекул, которая окружает и поддерживает клетки в тканях.

Внеклеточный матрикс состоит из структурных белков, коллагена, эластина и специализированных белков, фибриллина, фибронектина и ламинина, что позволяет структурно соединять клетки, образующие ткань. Кроме того, ВКМ служит поверхностью для адгезии и миграции клеток.

Внеклеточный матрикс состоит из нитей коллагена,  эластина и фибронектина. Диаметр нитей — несколько нанометров, что намного меньше диаметра клеток — несколько микрометров.

 

В настоящее время разработано несколько технологий получения пористых трехмерных матриц из синтетических и природных полимеров. Установлено, что большинство трехмерных пористых структур способствуют адгезии и пролиферации клеток, но не способны имитировать внеклеточный матрикс (ВКМ), окружающий клетки в тканях. Поэтому наилучшей альтернативой оказалось использование наноструктурированных матриц, которые не только имитируют внеклеточный матрикс, но и активно взаимодействуют с белками, что в конечном итоге ускоряет адгезию клеток и способствует регенерации.

Для создания подобных матриц используют следующие методы: электроспиннинг, разделение фаз, самосборку молекул, а также нанесение определенного рисунка на поверхность матрицы.

 

В настоящее время во многих лабораториях мира интенсивно проводятся эксперименты по выращиванию различных органов и тканевых структур (костей, хрящей, сосудистых и нервных тканей, тканей сердечной мышцы, печени, легких и т.д.):

 

 

Отдельным направлением при выращивании органов является биопринтинг.

3D-биопринтинг — технология создания объёмных моделей на клеточной основе с использованием 3D-печати, при которой сохраняются функции и жизнеспособность клеток.

Суть метода — сборка тканей и органов из конгломератов клеток, подобно конструктору. Осуществляют такую сборку, или биопечать, на специально разработанных 3D-биопринтерах, подобно тому как печатают на 3D-принтерах различные детали — послойно, по цифровой (компьютерной) трёхмерной модели. Картриджи принтеров при этом заправляют тканевые сфероидами — конгломератами клеток, которые «капают» на специальную подложку — своеобразную биобумагу. Напечатав один слой из клеточных сфероидов, сверху наносят второй, который «срастается» с первым. Так постепенно получают объёмный живой объект — ткань или орган.

Биопечать начинается с вложения в специальную машину части жировой человеческой ткани – через час в ней получаются аутологичные (не имеющие иммунных реакций) стволовые клетки человека, из которых можно делать любые ткани. Затем из них изготавливаются сфероиды — в специальных агрегатах имеется подложка с ямочками, куда заливается клеточная суспензия. Клетки образуют сфероиды за счет взаимодействия между собой. После, когда сфероидов достаточно, они помещаются в инкапсулятор, который вставляет шарики в оболочку из гиалуроновой кислоты — чтобы не слились раньше времени. И начинает работать биопринтер — робот с трехмерной системой позиционирования, проще говоря, со шприцем, которым он манипулирует в трехмерном пространстве. С помощью шприца сфероиды вводятся в гидрогель, используя трехмерную модель будущего органа. После того как сфероиды выстроились в нужном порядке, гидрогель деградирует и получается нужный орган. Хотя это еще не совсем орган, а, скорее, инженерная конструкция в виде органа. Органом ее можно будет назвать, когда стволовые клетки дифференцируются. Для этого применяются вещества, именуемые ростовыми факторами.