Определение Една от областите на биотехнологиите, участващи в създаването на биологични заместители на тъканите и органите. Описание Създаването на заместители на биологична тъкан (присадки) включва няколко етапа: 1) селекция и култивиране на собствен или донорен клетъчен материал; 2) разработване на специален носител за клетки (матрица) на базата на биосъвместими материали; 3) прилагане на клетъчна култура към матрицата и размножаване на клетки в биореактор със специални условия на култивиране; 4) директно въвеждане на присадката в областта на засегнатия орган или предварително поставяне в зоната, добре снабдена с кръв за зреене и микроциркулация вътре в присадката (сглобяване). Клетъчният материал може да бъде представен от регенерирани тъканни клетки или стволови клетки. За създаване на матрици за присаждане се използват биологично инертни синтетични материали, материали на базата на естествени полимери (хитозан, алгинат, колаген), както и биокомпозитни материали. Например еквивалентите на костната тъкан се получават чрез целенасочено диференциране на стволови клетки от костен мозък, кръв от връв или мастна тъкан. След това получените остеобласти се прилагат към различни материали, подпомагащи тяхното разделяне - донорна кост, колагенови матрици, порест хидроксиапатит и др. Живите еквиваленти на кожата, съдържащи донорски или собствени кожни клетки, в момента се използват широко в САЩ, Русия, Италия. Тези дизайни могат да подобрят заздравяването на обширни изгарящи повърхности. Развитието на присадките се извършва и в кардиологията (изкуствени сърдечни клапи, реконструкция на големи съдове и капилярни мрежи); за възстановяване на дихателните органи (ларинкса, трахеята и бронхите), тънките черва, черния дроб, пикочните органи, ендокринните жлези и невроните. Използването на стволови клетки се използва широко в тъканното инженерство, но има ограничения както от етичен (ембрионални стволови клетки), така и от генетичен характер (в някои случаи се наблюдава злокачествено деление на стволови клетки). Последните проучвания показват, че с помощта на манипулации за генно инженерство е възможно да се получат така наречените плурипотентни стволови клетки (iPSc) от кожни фибробласти, които са сходни по свойствата и потенциала на ембрионалните стволови клетки. Металните наночастици в тъканното инженерство се използват за контрол на растежа на клетките, като действат върху тях с магнитни полета в различни посоки. Например, по този начин беше възможно да се създадат не само аналози на чернодробните структури, но и такива сложни структури като елементи на ретината. Нанокомпозитните материали също осигуряват наноразмерна грапавост на повърхността на матриците за ефективно формиране на костни импланти с помощта на електронно-лъчева литография (EBL). Създаването на изкуствени тъкани и органи ще позволи да се откаже трансплантацията на повечето донорски органи и ще подобри качеството на живот и оцеляването на пациента. Авторите

• Народски Борис Савелиевич, доктор на биологичните науки
• Нестеренко Людмила Николаевна, д-р.

   препратки

1. Нанотехнологии в тъканната инженерия / Нанометър. - URL адрес: http://www.nanometer.ru/2007/10/16/tkanevaa_inzheneria_4860.html (достъп до 12 октомври 2009 г.)
2. Стволова клетка / Wikipedia - безплатната енциклопедия. URL адрес: ttp: //ru.wikipedia.org/wiki/Стокови клетки (достъп до 12 октомври 2009 г.)

   илюстрации
   Етикети Раздели Биомиметични наноматериали
Образуването на наноматериали с помощта на биологични системи и / или методи
Бионаноматериали и биофункционализирани наноматериали
Бионанотехнология, биофункционални наноматериали и наноразмерни биомолекулни устройства

Енциклопедичен речник на нанотехнологиите. - Руснано. 2010 .

Вижте какво е „тъканно инженерство“ в други речници:

тъканно инженерство   - Методи за контрол на телесните клетки с цел образуване на нови тъкани или експресиране на биологично активни вещества Теми на биотехнологиите EN тъканно инженерство ... Справка за технически преводач

Терминът биоинженеринг Терминът на английски биоинженеринг Синоними биомедицински инженерство Съкращения Свързани термини биоразградими полимери, биомедицински микроелектромеханични системи, биомиметици, биомиметични наноматериали, ... ...

Терминът биомиметични наноматериали Терминът на английски биомиметични наноматериали Синоними биомиметици, биомиметици Съкращения Свързани термини протеини, биоразградими полимери, биоинженеринг, биомиметици, биосъвместимост, биосъвместими ... ... Енциклопедичен речник на нанотехнологиите

Вадим Сергеевич Репин Дата на раждане: 31 юли 1936 г. (1936 г. 07 31) (76 г.) Място на раждане: СССР Държава ... Уикипедия

  - (латинска плацента, "плоска торта") ембрионалният орган при всички жени от плацентарни бозайници, някои сумчарчета, риба чук и други животворни хрущялни риби, както и живороден онкофор и редица други животински групи, позволяващи ... ... Wikipedia

Съдържа някои от най-забележителните актуални събития, постижения и иновации в различни области на съвременните технологии. Новите технологии са онези технически иновации, които представляват прогресивни промени в областта ... ... Wikipedia

Статии амфифилни биоразградими полимери биологична мембрана биологични двигатели биологични нано-обекти биомиметични биомиметични наноматериали биополимери биосензор биосъвместимост биосъвместими покрития киселина ... Енциклопедичен речник на нанотехнологиите

Статии "двулицеви" частициактуаторбактериохлорофилбиологични моторибиологични нанообекти биомиметици и биомиметични наноматериали биосензор биосъвместимост наноразмерни биоматериали ... Енциклопедичен речник на нанотехнологиите

Статии "мека" химия биологична мембрана биомиметична биомиметична наноматериали биосензор биосъвместими покрития двуслоен инженеринг инженеринг хибридни материали ДНК ДНК микрочип ген доставка Енциклопедичен речник на нанотехнологиите

Това е официален списък с статии, създадени за координиране на работата по развитието на темата. Това предупреждение не е ... Уикипедия

книги

• Тъканно инженерство, Креативен екип на шоуто „Дишайте по-дълбоко“. Фундаментално нов подход - клетъчна и тъканна инженерия - е най-новият напредък в областта на молекулярната и клетъчната биология. Този подход отвори широки перспективи за създаването на ... аудиокнига

Тъкано инженерството (TI) като дисциплина започва своята история през първата половина на 20 век. Основата на неговото основаване са теоретични и практически разработки за създаването на "изкуствени" органи и тъкани и работата на трансплантацията на клетки и биологично активни компоненти на носители за възстановяване на щети в различни тъкани на тялото (Langer R., Vacanti J.P., 1993).

В момента тъканното инженерство е един от най-младите отрасли в медицината, основан на принципите на молекулярната биология и генното инженерство. Интердисциплинарният подход, използван в него, е насочен преди всичко към създаването на нови биокомпозитни материали, за да възстанови загубените функции на отделните тъкани или органи като цяло (Spector M., 1999). Основните принципи на този подход са да се разработят и използват, когато се имплантират в увреден орган или тъкан, носители на биоразградими материали, които се използват в комбинация или с клетки донори, и / или с биоактивни вещества. Например, при лечението на процес на рани, това може да бъде колагенови покрития с алофибробласти, а при съдова хирургия - изкуствени съдове с антикоагуланти (Vacanti S.A. et.al., 1993). В допълнение, едно от сериозните изисквания за такива материали-носители е, че те трябва да осигуряват надеждна поддържаща, тоест поддържаща и / или структурообразуваща функция в увредената област на тъканта или органа.

Следователно, една от основните задачи на тъканното инженерство при лечението на костни патологии е създаването на изкуствени биокомпозити, състоящи се от ало- и / или ксеноматериали в комбинация с биоактивни молекули (костни морфогенетични протеини, растежни фактори и др.) И способни да индуцират остеогенеза. Освен това такива биоматериали трябва да имат редица необходими костни свойства (Yannas I.V. et.al., 1984; Reddi A.H.et.al., 1987; Reddi A.H., 1998).

Първо, те трябва да изпълнят и поддържат (скеле) степента на дефекта.

Второ, да имат остеоиндуктивност, тоест активно индуцират остеобласти и евентуално други мезенхимни клетки към образуване на кост.

И трето, да има добри показатели за биоинтеграция и биосъвместимост, тоест да се влоши и да не предизвика възпалителни и имунни реакции у реципиента. Последното качество обикновено се постига в биоматериала само чрез намаляване на антигенните му характеристики.

Комбинацията от всички тези свойства позволява на такива биоматериали паралелно с поддържащата, механична функция да осигурят биоинтеграция - растеж на клетки и кръвоносни съдове в структурата на импланта с последващо образуване на костна тъкан.

Известно е, че поддържащият ефект на всеки биоматериал се осигурява по правило от неговите структурни характеристики. За биоматериалите този показател обикновено се свързва с архитектониката на естествената тъкан, от която е изведен. За костта основните параметри на нейната структурна сила са твърдо еластичните характеристики на костната матрица и размера на порите в нея (Marra P. G.1998; Thomson R.C. et.al., 1998).

Най-често срещаните биоматериали с ясно дефинирана поддържаща функция включват изкуствен и естествен хидроксиапатит (HA), биокерамика, полигликолова киселина, както и колагенови протеини (Friess W., 1998).

В момента много различни форми на хидроксиапатит се използват за заместване на костни дефекти в хирургичната стоматология, ортопедията и травматологията, различаващи се по форма и размер на частиците. Смята се, че изкуствено произведеният хидроксиапатит по химичен състав и кристалографски параметри е почти идентичен с естествения хидроксиапатит (Parsons J., 1988). Много автори експериментално и клинично са показали, че използването на хидроксиапатит има значителни предимства пред останалите имплантационни материали. И така, положителните му характеристики включват такива показатели като лекота на стерилизация, дълъг срок на годност, високо ниво на биосъвместимост и изключително бавна резорбция в организма (A. Volozhin et al., 1993). Хидроксиапатитът е биоинертен и е добре съвместим с костния материал (Jarcho M. et.al., 1977), както показват експерименталните проучвания. В процеса на заместване на костен дефект в присъствието на НА под въздействието на биологични течности и тъканни ензими, хидроксиапатитът може да бъде частично или напълно резорбиран (Klein A.A., 1983). Положителният ефект на хидроксиапатита след имплантирането му в костната кухина очевидно се обяснява не само с остеокондуктивните свойства на материала, но и с способността му да сорбира протеини, които индуцират остеогенеза на повърхността му (Ripamonti U., Reddi A.H., 1992).

В момента по-голямата част от биоматериали за възстановяване на костни дефекти се получават от хрущял и / или костна тъкан на хора или различни животни. Често за производството на композитни материали се използват и компоненти от други видове съединителна тъкан - кожа, сухожилия, менинги и др. (Wope P.J., 1979; Yannas I.V. et.al., 1982; Chvapel M., 1982; Goldberg V. M. et.al., 1991; Damien C.J., Parsons J.R., 1991).

Най-известният от съвременните биоматериали е колагенът. Широката му употреба в практичната медицина е свързана с развитието на реконструктивна хирургия и търсенето на нови материали, които изпълняват рамкови и пластични функции по време на регенерация на тъканите. Основните предимства на колагена - като пластмасов биоматериал трябва да включват неговата ниска токсичност и антигенност, висока механична здравина и устойчивост на тъканни протези (Истранов Л. П., 1976). Източниците на колаген при производството на продукти за пластична хирургия са тъкани, богати на този протеин - кожа, сухожилия, перикард и кости. Широко разпространено в медицинската практика беше разтвор на кожен колаген, произведен от Collagen Corp. (Palo-Alto USA), под имената "Zyderm" и "Zyplast". Въз основа на този колаген са разработени различни медицински продукти като импланти, превръзки за рани, хирургически конци за зашиване на повърхности на раната и др.

През 70-те години на миналия век за първи път са получени данни за ефекта на колагеновите присадки върху възстановяването на костната тъкан. Установено е, че колагенните импланти допринасят за разпространението на фибробласти, васкуларизация на близките тъкани и, очевидно, индуцират образуването на нова костна тъкан с последващото й преструктуриране (Reddi A.H., 1985). Колагенът се използва също като бързо разграждащ се материал под формата на гел за възстановяване на костни дефекти (De Balso A.M., 1976). Резултатите, получени от този автор, също предполагат, че препаратите на основата на колаген могат да стимулират регенерацията на костите.

В същото време започнаха проучвания за използването на биокомпозитни материали, съдържащи както колаген, така и хидроксиапатит, за да заместят костните дефекти. Така че за лицево-челюстната хирургия и хирургичната стоматология са разработени състави на Alveloform и Bigraft, съдържащи пречистен фибриларен кожен колаген и HA частици (Collagen Corp., Palo Alto, USA). Тези биоматериали са били използвани за възстановяване на алвеоларния гребен при хирургично лечение на пациенти с пародонтит (Krekel G. 1981, Lemons M.M. 1984, Miller E. 1992). Хистологичните и ултраструктурни изследвания са доказали, че съставът на колаген и НА влияе положително върху регенерацията на гребена на костите, но по този начин тези биоматериали изпълняват главно рамкови и проводни функции, тоест показват своите остеокондуктивни свойства (Mehlisch D.R., 1989). По-късно много други изследователи стигат до подобни заключения и сега повечето учени се придържат към тази гледна точка (Glimcher M.J., 1987; Friess W., 1992; VaccantiC.A. Et.al., 1993).

Според друга група изследователи обаче, биокомпозитните материали, съдържащи Ziderm кожен колаген и синтетичен хидроксиапатит, имат определени остеогенни потенциали. И така, Katthagen et al. (1984), изследвайки ефекта на материала Collapat, съдържащ кожен тип колаген и частици от силно диспергиран хидроксиапатит върху възстановяването на костни дефекти на бедрената кост при зайци, беше установено, че регенерацията на костната тъкан при опитни животни протича 5 пъти по-бързо, отколкото при контрола. Тези експериментални резултати са основата за по-нататъшното използване на материала Collapat в клиничната практика.

Добре известно е, че автографските препарати, приготвени от собствените тъкани на пациента, несъмнено са най-подходящи за трансплантация и последваща биоинтеграция и това напълно елиминира основните имунологични и най-инфекциозни усложнения при последваща трансплантация (Enneking WF et.al., 1980; Summers BN, Eisenstein SM, 1989 ; Reddi AH, 1985; Goldberg VM et.al., 1991). Такива материали обаче трябва да се подготвят непосредствено преди трансплантацията, в противен случай клиниката трябва да има костна банка за съхранение на такъв биоматериал, който в действителност е достъпен само за много големи медицински институции поради високата цена на подготовката и съхранението на тези материали. Освен това възможността за получаване на значителни количества автоматериал е много ограничена и когато се приема, като правило, донорът се подлага на сериозни хирургични интервенции. Всичко това значително ограничава широкото използване на автографи (Bos G. D. et.al., 1983; Horowitz M.C. 1991). Следователно, в областта на лечението на костни патологии, тъканното инженерство е изправено пред истинското предизвикателство за създаването на биокомпозитни материали, използването на които ще осигури решение на много проблеми както при клетъчната трансплантация и стимулирането на костното образуване на местата на увреждане, така и за намаляване на трудови и финансови разходи при поправяне на костни наранявания при пациенти от различни профили.

Понастоящем усилията на редица изследователи, работещи в областта на тъканното инженерство, са разработили и въвели биокомпозитни материали, които включват както местни клетки от костен мозък, така и стромални остеогенни прогениторни клетки, отглеждани в монослойни костни мозъчни култури (Gupta D., 1982 ; Bolder S., 1998). Тези автори откриха, че за успешното индуциране на остеогенезата на мястото на трансплантация е необходимо да се създаде висока първоначална плътност на стромални предшественици - около 108 клетки. Освен това простото въвеждане на суспензия от такива клетки не даде добри резултати. В тази връзка възникна сериозен проблем с намирането на носители за трансплантация на клетки в тялото на реципиента.

За първи път като такъв носител, Gupta D. et. Ал. (1982) предлага използването на ксенон, предварително мазнини и декалцифицирани. Освен това беше установено, че в зависимост от степента на ксено-почистване, процентът на прикрепване на клетъчните елементи към носителя се увеличава и клетките се свързват много по-добре с неговата органична част, отколкото с естествения костен хидроксиапатит (Hofman S., 1999).

От синтетичните материали керамиката в момента се използва широко като носители за клетъчна трансплантация (Burder S. 1998), който е изкуствен хидроксиапатит, получен чрез обработка на три-калциев фосфат при високи температури.

Домашните стоматологични хирурзи използваха здрава материя като подходящ носител за трансплантация на алогенни фибробласти и отбелязаха, че използването на този присадка с алофибробласти при лечението на умерен до тежък хроничен генерализиран пародонтит има няколко предимства пред останалите методи на лечение (Дмитриева Л.А., 2001) ,

По-рано в поредица от работи по изграждането на "изкуствена кожа" беше установено, че успехът на възстановяването на тази тъкан след нейното увреждане зависи от състоянието на клетъчната микросреда в увредената зона. От друга страна, самата микроекология е създадена от оптималната комбинация от основните компоненти на междуклетъчната матрица, като колагени, гликопротеини и протеогликани (Yannas I. et.al., 1980, 1984; Pruitt B., Levine N., 1984; Madden M. et.al ., 1994).

Колагенът е типичен фибриларен протеин. Отделната му молекула, тропоколаген, се състои от три спирални полипептидни вериги, наречени а-вериги, които са усукани заедно в една обща спирала и са стабилизирани от водородни връзки. Всяка а-верига съдържа средно около 1000 аминокиселинни остатъци. В костната тъкан има две основни комбинации от вериги - две λ1 и един λ2 или тип 1 колаген и три λ-1 или колаген тип III. В допълнение към тези видове, в костите в малки количества са открити и други колагенови изоформи (Serov V.P., Shekhter A. B., 1981).

Протеогликаните са сложни съединения на полизахариди с протеин. Полизахаридите, които изграждат протеогликани, са линейни полимери, изградени от различни дизахаридни субединици, образувани от уронови киселини (глюкуронова, галактуронова и идуронова), N-ацетилхексозамини (IM-ацетилглукозамин, N-ацетил-галактозамин) и неутрални захари маноза и ксилоза). Тези полизахаридни вериги се наричат \u200b\u200bгликозаминогликани. Поне една от захарите в дизахарида има отрицателно заредена карбоксилна или сулфатна група (Stacy M., Barker S, 1965). Зрялата костна тъкан съдържа главно сулфатирани гликозаминогликани (sGAG), като хондроитин-4 и хондроитин-6-сулфати, дерматан сулфат и кератан сулфат. Биосинтезата на протеогликани в костната тъкан се осъществява главно от активирани остеобласти и леко зрели остеоцити (Juliano R., Haskell S., 1993; Wendel M., Sommarin Y., 1998).

Функционалното значение на сулфатните гликозаминогликани в съединителната тъкан (КТ) е голямо и се свързва предимно с образуването на колагенови и еластинови влакна. Сулфатирани гликозаминогликани участват в почти всички процеси на метаболизма на съединителната тъкан и могат да имат модулиращ ефект върху диференциацията на нейните клетъчни елементи (Panasyuk A.F. et al., 2000). Много показатели за регенерация на КТ зависят от техните качествени и количествени характеристики в тъканите, както и от спецификата на взаимодействие с други компоненти на междуклетъчната матрица.

Регенерацията и възстановяването на костната тъкан е комплекс от последователни процеси, включващи както активиране на остеогенни клетки (набиране, пролиферация и диференциация), така и директно формиране на специализирана матрица - нейната минерализация и последващо ремоделиране на костната тъкан. Освен това тези клетки са винаги под контрола и влиянието на редица биологични и механични фактори.

Според съвременните концепции, тъканното инженерство (TI) на костната тъкан се основава на три основни принципа, които осигуряват успешна подмяна на тази тъкан.

Първо, най-важният принцип при създаването на биоматериали и структури за имплантация е възпроизвеждането на основните характеристики на естествената костна матрица, тъй като именно уникалната структура на костната тъкан има най-силно изразен ефект върху процесите на регенерация. Известно е, че тези характеристики на матрицата зависят от нейната триизмерна структура и химичен състав, както и от механичните й свойства и способността да влияят върху клетъчните форми на съединителната тъкан (КТ).

Архитектониката на матрицата включва такива параметри като съотношението повърхност към обем, наличието на порна система и най-важното - нейните функционални и механични свойства. Благодарение на тези показатели, матрицата, очевидно, може да регулира съдовия растеж, да осигури хемотактични стимули за ендогенни клетки, да модулира прикрепването на клетките, да стимулира деленето, диференциацията и последващата минерализация. Смята се, че триизмерната структура на конструкцията на матрицата може да повлияе не само на индукционните процеси, но и на самата скорост на регенерация.

Следователно биоматериалът или конструкцията, конструирани с помощта на тъканно инженерство, трябва да притежават свойства, които in vivo могат да осигурят както проводими, така и индуктивни свойства на естествена матрица. Първите включват такива показатели като способността за запълване и поддържане на обем, механична интеграция и пропускливостта на клетките и кръвоносните съдове. Вторият - осигурява пряк или косвен ефект върху клетъчните форми, стимулирайки ги да образуват хрущялна и / или костна тъкан.

Следващият важен принцип за успеха на целенасоченото инженерство на костната тъкан е използването на екзогенни и / или активиране на ендогенни клетки, които са пряко включени в процесите на изграждане на тази тъкан. В същото време източникът на такива клетки може да бъде както техният, така и донорският организъм. Например, използването на някои видове клетки от плюрипотентни стромални клетки на костен мозък до ангажирани клетки, подобни на остеобласт, успешно се използва в експерименти с животни и в клиниката.

Като правило, по време на обратната трансплантация в тялото, стромалните прекурсорни клетки са в състояние да се диференцират в зрели форми, да синтезират матрицата и да предизвикат каскада от реакции на възстановяване на ендогенната костна тъкан. В същото време алтернативното виждане за използването на композитни биоматериали предполага техния пряк ефект върху ендогенните костни и други клетки на съединителната тъкан, набирането им (привличането) към имплантационната зона, стимулирането на тяхната пролиферация и увеличаването на тяхната биосинтетична активност, принуждавайки тези клетки активно да формират костна тъкан. В допълнение, такива материали могат да бъдат добри клетъчни носители, върху които могат да се отглеждат стволови клетки преди трансплантация. Последният от основните принципи за успеха на тъканното инженерство в костите е използването на биоактивни молекули, включително растежни фактори, цитокини, хормони и други биологично активни вещества.

За индуцирането на образуването на кост най-известните фактори са костните морфогенетични протеини, трансформиращ растежен фактор - TGF-β, инсулиноподобен растежен фактор IGF и съдов ендотелен растежен фактор VEGF .. Следователно, биокомпозитният материал може да бъде наситен и / или да съдържа в своята структура биоактивни молекули, които ви позволява да го използвате по време на имплантация като депо за такива вещества. Постепенното освобождаване на тези фактори може активно да повлияе на процесите на възстановяване на костите. В допълнение към тези вещества, съставът на композитни материали може да включва микро и макроелементи, както и други молекули (захари, пептиди, липиди и др.), Които могат да осигурят стимулиране и поддържане на повишена физиологична активност на клетките в регенериращата костна тъкан.

Понастоящем има голямо разнообразие от биопластични материали, които имат остеопроводими и / или остеоиндуктивни свойства. И така, материалите, съдържащи почти чист хидроксиапатит (HA), като Osteogaf, Bio-Oss, Osteomin, Ostim, проявяват основно проводими свойства, въпреки че могат да имат слаб остеоиндуктивен ефект. Друга група материали е напълно или частично деминерализирана костна тъкан, както и комбинации от тези материали с биологично активни вещества, като костни морфогенетични протеини и / или растежни фактори [Панасюк А.Ф. et al., 2004].

Най-важните изисквания за биопластичните материали остават параметри като техните антигенни и индуктивни свойства. В допълнение, за различни видове операции често се изискват материали, които притежават, наред с горните показатели, добри пластични или якостни характеристики за създаване и поддържане на необходимите форми и конфигурации при запълване на кухини и дефекти на тъканите.

Като взема предвид всичко гореизброено, Konektbiofarm LLC разработи технология за производство на костен колаген и костно-сулфатирани гликозаминогликани (sGAG) и на базата на тях са произведени биокомпозитни остеопластични материали от серията Biomatrix и Osteomatrix. Основната разлика между тези групи биоматериали е, че Biomatrix съдържа костен колаген и костно сулфатирани гликозаминогликани, докато Osteomatrix, който съдържа същите два основни компонента на костната тъкан, също съдържа хидроксиапатит в естествената си форма [Panasyuk A. F. et al., 2004]. Източникът на тези биоматериали са гъбестите и кортикалните кости на различни животни, както и хората. Костният колаген, получен по тази технология, не съдържа други протеини и in vitro е практически неразтворим в достатъчно концентрирани разтвори на алкали и органични киселини.

Това свойство позволява биоматериалите да бъдат не само инертни по отношение на имунната система на организма, но и устойчиви на биоразграждане за дълго време след имплантирането им. В момента за стимулиране на растежа на костите и меките тъкани активно се използва метод за стимулиране на клетки с плазма, богата на тромбоцити (BTP). Тази нова биотехнология на целенасоченото тъканно инженерство и клетъчна терапия според някои автори е истински пробив в хирургическата практика. За да се получи такава плазма обаче, се изисква определено техническо оборудване, а в някои случаи и специално обучени служители. Използването на материала Biomatrix за тези цели напълно решава истинския проблем с минимални разходи, тъй като не е необходимо да се изолират тромбоцитите от кръвта на пациента. В поредица от експерименти установихме, че материалът Biomatrix е способен специфично и в големи количества да свързва тромбоцитите на периферната кръв (Таблица 1).

Таблица 1. Свързване на кръвни тромбоцити с костен колаген.

* - 6 ml кръв се инкубира с 1 g костен колаген (1 g сух костен колаген взема обем от 2 до 7 cm³ в зависимост от неговата порьозност). Данните в таблицата са представени като съдържание на тромбоцити в 1 ml кръв след преминаване през 1 cm³ костен колаген.

И така, 1 cm³ биоматериал Biomatrix е в състояние да свърже почти всички тромбоцити (повече от 90%) от 1 ml кръв, тоест от 226 до 304 милиона тромбоцити. В този случай свързването на тромбоцитите с костен колаген става бързо и завършва в рамките на няколко минути (Фигура 1).

Фигура 1. Скоростта на свързване на кръвните тромбоцити с костния колаген.

Установено е също, че ако биоматериалът Biomatrix се използва без покритие от антикоагуланти, образуването на съсирек става почти моментално. Понастоящем е доказано, че работната концентрация за богата на тромбоцити плазма започва с 1 милион тромбоцити в мкл. Следователно, за да се получи богата на тромбоцити плазма, тромбоцитите трябва да се концентрират средно 5 пъти, но това разпределение също изисква значителни финансови разходи, и определен професионален опит. В допълнение, за активирането на тромбоцитите и тяхното изолиране на 7 растежни фактора: 3 вида PDGF-aa, -bb, -ab, два трансформиращи растежни фактора - TGF-β1 и β2, съдов ендотелен фактор на растеж VEGF и епителен фактор на растеж EGF - богат тромбоцитната плазма преди нейната употреба трябва да се коагулира. В сравнение с известните методи, върху биоматериала Biomatrix е възможно значително да се увеличи концентрацията на тромбоцитите. В същото време колагенът е протеинът, който е в състояние да активира фактора на Хагеман (XII коагулационен фактор) и системата на комплемента.

Известно е, че активираният фактор на Хагеман задейства каскада от реакции на системата за коагулация на кръвта и води до образуването на фибринов съсирек. Този фактор или неговите фрагменти също могат да инициират каликреин-кининовата кръвна система. По този начин костният колаген в материалите Biomatrix и Osteomatrix е в състояние да активира основните системи за протеолиза на плазмата, които са отговорни за поддържането на хемодинамичния баланс и осигуряването на регенеративни реакции на организма. За разлика от богатата на тромбоцити плазма, която сама по себе си няма остеоиндуктивен ефект, тоест не може да инициира образуването на кост без наличието на костни клетки, материалите Biomatrix и Osteomatrix имат такава потентност.

И така, по време на интрамускулно имплантиране на биоматериали „Биоматрикс” и по-специално „Остеоматрикс” се образува извънматочна костна тъкан, което пряко доказва остеоиндуктивната активност на тези материали [Иванов С.Ю. et al., 2000]. Комбинираната употреба на богата на тромбоцити плазма с рекомбинантен костен морфогенетичен протеин, който може да стимулира клетките на съединителната тъкан да образуват костна тъкан, решава този проблем, но това води до значително увеличение на цената на техниката. Трябва също да се отбележи, че материалите от серията Osteomatrix включват естествен костен хидроксиапатит, който е способен на афинитет да натрупва костни морфогенетични протеини, синтезирани от остеобласти на повърхността му и по този начин допълнително да стимулира остеогенезата („индуцирана остеоиндукция“).

В този случай възражението срещу възможността за развитие на тумори поради използването на рекомбинантни протеини е напълно отстранено, тъй като в случай на подобно използване на материалите Biomatrix и Osteomatrix в зоната на имплантация присъстват само естествени протеини с естествен произход. Материалите от сериите Biomatrix и Osteomatrix също имат друго уникално качество - те са способни да свързват афинитета на сулфатирани гликозаминогликани [Панасюк А.Ф., Саващук Д.А., 2007]. Това свързване при условия, подобни на свързването на тромбоцитите, се случва за кратък период от време и броят на свързаните сулфатирани гликозаминогликани значително надвишава физиологичните параметри (таблица 2).

Таблица 2. Свързване на сулфатирани гликозаминогликани с костен колаген.

Понастоящем е добре известно, че както колагенът, така и хидроксиапатитът, които се използват самостоятелно, имат главно остеокондуктивни свойства, тоест могат да играят само ролята на „допринасящ“ материал за създаване на нова кост. Тези молекули обаче могат да окажат слаб остеоиндуктивен ефект върху клетките от остеобластичната серия, поради някои от техните биологични свойства.

Този остеоиндуктивен ефект се усилва от интегрираната употреба на тези два типа молекули. От друга страна, ако сулфатирани гликозаминогликани също присъстват в биоматериалите заедно с колаген и хидроксиапатит, такъв комплекс ще бъде по-близо по структура до естествения костен матрикс и следователно ще има своите функционални характеристики в пълна степен. И така, известно е, че сулфатирани гликозаминогликани влияят на много показатели за метаболизма на съединителната тъкан.

Те са в състояние да намалят активността на протеолитичните ензими, потискат синергичния ефект върху междуклетъчната матрица на тези ензими и кислородни радикали, блокират синтеза на възпалителни медиатори чрез маскиране на антигенни детерминанти и анулират хемотаксиса, предотвратяват апоптозата на клетките, предизвикана от увреждащи фактори, а също така намаляват синтеза на липиди и по този начин предотвратяват липидната синтеза деградационни процеси. В допълнение, тези съединения участват пряко в изграждането на самите колагенови влакна и междуклетъчната матрица като цяло.

В ранните етапи на увреждане на съединителната тъкан, те действат като инициаторите за създаването на временна матрица и ви позволяват да спрете разпадането на съединителната тъкан и образуването на груб белег и впоследствие да осигурите по-бързото й заместване с обичайната за този орган съединителна тъкан [Панасюк А.Ф. et al., 2000]. За съжаление, ролята на сулфатирани гликозаминогликани в регулацията на остеогенезата не е добре разбрана, но е показано, че основният претендент за ролята на индуктор на ектопична остеогенеза в моделната система е протеогликан, секретиран от клетките на епител на пикочния мехур епител [Fridenstein A.Ya., 1972], Lalykina ,

Други автори държат подобно мнение, вярвайки, че протеогликаните са един от факторите на стромалната микросреда, която регулира хематопоезата и други хистогенези на мезенхимни производни. Освен това беше показано, че in vitro и in vivo хондроитин сулфатите имат изразен ефект върху минерализацията на костите.Така че, ние установихме, че когато материалът на Osteomatrix е изложен на човешка хондроцитна култура, техните хондрогенни свойства се индуцират. Под въздействието на материала човешките хондроцити образуват в културата хистотипични структури, в които ог за отлагане на фосфати и минерализация на костната матрица по време на нейното окостенене.

Освен това беше установено, че след имплантирането на биоматериали „Биоматрикс”, „Алломатрикс-имплант” и „Остеоматрикс” в зайци се образува извънматочна кост, последвана от колонизация на костния мозък. В допълнение, тези материали успешно се използват като носители за трансплантация на стволови стромални прогениторни клетки [Иванов С.Ю. et al., 2000]. Към днешна дата тези материали са получили признание както в денталната, така и в ортопедичната практика [Иванов С.Ю. и др., 2000, М. Лекишвили и др., 2002, А. Грудянов et al., 2003, Asnina S.A. et al., 2004, Василиев М. Г. и др., 2006]. С висока ефективност те се използват в случаи на несъвършена остеогенеза, възстановяване на ръката, при хирургично лечение на пародонтални заболявания и отстраняване на дефекти в челюстните кости. Благодарение на разработената технология за тяхното производство, тези биоматериали засега са единствените материали в света, които почти напълно са запазили колагеновите и минерални структури от естествена кост, но в същото време тези материали са напълно лишени от антигенност.

Голямото предимство на тези биоматериали е, че те съдържат костен сулфатиран гликозаминогликани афинитет, свързан с колаген и хидроксиапатит, което значително ги отличава от аналозите в света и значително повишава техните остеогенни възможности. По този начин цитираните експериментални и клинични данни показват, че въз основа на съвременните принципи на тъканното инженерство са разработени и въведени в клиничната практика домашни биокомпозитни материали на базата на костен колаген, сулфатирани гликозаминогликани и хидроксиапатит. Тези съвременни, ефективни и безопасни биоматериали от ново поколение отварят широки перспективи за решаване на много проблеми на възстановяването на костната тъкан в травматологията и ортопедията, както и в много други области на хирургическата практика.

Електронограмата (фиг. 1) показва, че препаратите от костен колаген са мрежа от подредени снопове и влакна. В този случай самите влакна са плътно опаковани във връзки от втори ред, без разкъсвания и дефекти. На външен вид материалът има класическа поресто-клетъчна структура, която напълно съответства на архитектониката на родната костна кост и не съдържа съдове, протеини, механични и други включвания. Размерът на порите варира от 220 до 700 микрона.

Биосъвместимостта на костния колаген беше оценена от нас според стандартни тестове при условията на имплантирането им под кожата на плъхове Wistar. С помощта на хистоморфологичен анализ и сканираща електронна микроскопия беше установено, че костният колаген след месец и половина в тялото на реципиента практически не се унищожава и запазва своята структура.

  Фигура 1. Фигура 2.

Както се вижда от фиг. 2, порите, трабекулите и клетките на имплантирания костен колаген са частично запълнени с хлабав фиброзен КТ, влакната на който са слабо споени с имплантанта. Ясно се вижда, че около него се образува лек влакнест слой и наличието на малък брой клетъчни елементи, основният от които са фибробласти, се отбелязва в самия имплант. Характерно е, че имплантът практически не се споява с околната тъкан на дермата почти по цялата му дължина. Тези резултати ясно показват високата устойчивост на този материал към биоразграждане и пълната биоинертност на заобикалящата го съединителна тъкан.

Изследвания върху ефекта на биоматериалите "Biomatrix", "Allomatrix-implant" и "Osteomatrix" върху остеорепарацията са проведени по модел на сегментарна остеотомия според общоприети методи (Katthagen B.D., Mittelmeeir H., 1984; Schwarz N. et.al., 1991). В експеримента бяха използвани зайци с чинчила с тегло 1,5-2,0 кг, които под венозна анестезия направиха сегментирана остеотомия на радиуса.

Два месеца след операцията се забелязва образуването на нова костна тъкан в зоната на имплантацията. На фиг. 3 резултат от хистоморфологично изследване на материала "Allomatrix-implant" след 2 месеца. след операция. Добре развитата млада костна тъкан е видима в проксималната зона на дефекта. Остеобластите са в съседство с костните лъчи в голям брой.

В интерстициалната субстанция в пролуките се намират остецити.В новата костна субстанция се образуват плътно опаковани колагенови влакна. Интерстициалното вещество с активни клетки е добре развито. Областта на имплантите (отгоре и вляво) активно се преустройва.

По принцип има ускорено съзряване на костната тъкан около областта на импланта.

Освен това се оказа, че порьозно-клетъчната структура на костния колаген осигурява не само поддържането на обема в дефекта поради неговите еластично-еластични качества, но и оптималната възможност за растеж на клетките на съединителната тъкан, развитието на кръвоносните съдове и образуването на кости по време на подмяната на този дефект.

Някога тъканното инженерство е било класифицирано като подраздел на биологични материали, но, като се е увеличил по мащаб и значение, той може да се разглежда като раздел сам по себе си. Тъканите изискват определени механични и структурни свойства за правилното функциониране. Терминът "тъканно инженерство" също се отнася до корекцията на специфични биохимични функции с използване на клетки в изкуствено създадена поддържаща система (например, изкуствен панкреас или изкуствен черен дроб). Терминът „регенеративна медицина“ често се използва като синоним на тъканно инженерство, въпреки че се обръща по-голямо внимание на използването на стволови клетки в тъканното производство в регенеративната медицина.

Обикновено тъканното инженерство, както твърдят Лангер и Ваканти, се разглежда като „интердисциплинарно поле, в което принципите на инженерството и биологията се прилагат за разработване на биологични заместители, което е възстановяване, поддържане или подобряване на функцията на тъканите или на целия орган“. Тъканното инженерство също е дефинирано като "разбиране на принципите на растежа на тъканите и тяхното приложение за производството на функционални тъканни заместители за клинична употреба". По-подробно описание гласи, че "основното предположение за тъканното инженерство е, че използването на естествени биологични системи ще постигне по-голям успех в разработването на терапевтични методи, насочени към замяна, възстановяване, обслужване и / или разширяване на функцията на тъканта."

Клетките могат да бъдат получени от течни тъкани, като кръв, по различни начини, обикновено центрофугиране. По-трудно е да се извличат клетки от твърди тъкани. Обикновено тъканта се превръща в кайма и след това се усвоява с ензими трипсин или колагеназа, за да се отстрани извънклетъчната матрица, която съдържа клетките. След това клетките се оставят да плават свободно и те се отстраняват като от течни тъкани. Скоростта на реакция с трипсин е много зависима от температурата, а високите температури причиняват големи щети на клетките. Колагеназата изисква ниски температури и следователно има по-малка загуба на клетки, но реакцията отнема повече време, а самата колагеназа е скъп реагент. Клетките често се имплантират в изкуствени структури, които могат да подпомогнат формирането на триизмерна тъкан. Тези структури се наричат \u200b\u200bскеле.

За да се постигне целта за реконструкция на тъканите, скелето трябва да отговаря на някои специфични изисквания. Висока порьозност и определен размер на порите, които са необходими за насърчаване на клетъчната култура и дифузия в цялата структура, както на клетките, така и на хранителните вещества. Биоразградимостта често е важен фактор, тъй като горите се абсорбират от околните тъкани, без да е необходимо хирургично отстраняване. Скоростта, с която се извършва разлагането, трябва да бъде възможно най-близка до скоростта на образуване на тъкани: това означава, че докато произведените клетки ще създават своя собствена естествена матрична структура около себе си, те вече са в състояние да осигурят структурна цялост в тялото и в крайна сметка в резултат на това скелето ще бъде счупено, оставяйки новообразувана тъкан, която ще поеме механичното натоварване.

Много материали са изследвани за скелета (естествени и синтетични, биоразградими и постоянни). Повечето от тези материали са били известни в областта на медицината още преди появата в тъканното инженерство като тема на изследване и вече са били използвани, например, в хирургията за зашиване. За разработване на скелета с идеални свойства (биосъвместимост, неимуногенност, прозрачност и др.) Бяха проектирани нови материали за тях.

Горите също могат да бъдат изградени от естествени материали: по-специално, бяха проучени различни производни на извънклетъчната матрица и тяхната способност да поддържат растежа на клетките. Протеиновите материали като колаген или фибрин и полизахариди, като хитозан или гликозаминогликан (GAG), са подходящи по отношение на съвместимостта, но някои въпроси все още остават отворени. Функционалните групи гори могат да бъдат полезни при доставянето на малки молекули (лекарства) за специфични тъкани.

Въглеродни нанотръби

Въглеродните нанотръби са удължени цилиндрични структури с диаметър от една до няколко десетки нанометра и дължина до няколко сантиметра, състоящи се от една или повече шестоъгълни графитни равнини, навити в тръба и завършващи обикновено с полусферична глава, която може да се счита за половин фулерена молекула.

Както знаете, фулерен (C60) е открит от група Smalley, Kroto и Curl през 1985 г., за която през 1996 г. тези изследователи са носители на Нобелова награда за химия. Що се отнася до въглеродните нанотръби, не може да се посочи точната дата на тяхното откриване. Въпреки че е добре известно, че Iijima наблюдава структурата на многотълъчните нанотръби през 1991 г. Има по-ранни доказателства за откриването на въглеродни нанотръби. Така например през 1974 - 1975 година. Ендо и др. Публикуват редица произведения, описващи тънки тръби с диаметър по-малък от 100 nm, приготвени чрез кондензация на пара, но не е извършено по-подробно проучване на структурата.

Група учени от Института по катализа на Сибирския филиал на Академията на науките на СССР през 1977 г., когато са изучавали карбонизацията на катализатори за дехидрогениране на желязо-хром под микроскоп, са регистрирали образуването на „кухи въглеродни дендрити“ и е предложен механизъм на образуване и е описана структурата на стените. През 1992 г. в Nature е публикувана статия, в която се твърди, че нанотръбите са били наблюдавани през 1953 г. година по-рано, през 1952 г. в статия на съветските учени Радушкевич и Лукянович е отчетено електронно-микроскопично наблюдение на влакна с диаметър от порядъка на 100 nm, получени при термично разлагане на оксид. въглерод върху железен катализатор. Тези проучвания също не са продължили.

Има много теоретични трудове за прогнозиране на тази алотропна форма на въглерод. В работата химикът Джоунс (Дедалус) се отразява върху навитите тръби от графит. В творбата на Л. А. Чернозатонски и друга, публикувана през същата година като работата на Iijima, са получени и описани въглеродни нанотръби, а М. Ю. Корнилов не само прогнозира съществуването на едностенни въглеродни нанотръби през 1986 г., но и предполага голямата им издръжливост.

Структура на нанотръбите

Идеална нанотръба е графитна равнина, навита в цилиндър, тоест повърхност, облицована с правилни шестоъгълници с въглеродни атоми в техните върхове. Резултатът от тази операция зависи от ъгъла на ориентация на графитната равнина спрямо оста на нанотръбата. Ъгълът на ориентация от своя страна определя хиралността на нанотръбата, което определя, по-специално, нейните електрически характеристики.

Фиг. Сгъване на графитна равнина за получаване на (n, m) нанотръби

За да се получи хирална нанотръба (n, m), графитната равнина трябва да бъде изрязана в посоките на пунктираните линии и да се навие по посоката на вектора R

Подредена двойка (n, m), указваща координатите на шестоъгълника, която в резултат на сгъване на равнината трябва да съвпада с шестоъгълника, разположен в началото, се нарича хиралност на нанотръбата и е посочена. Друг начин за индикация на хиралност е да се посочи ъгълът α между посоката на сгъване на нанотръбата и посоката, в която съседни шестоъгълници имат обща страна. В този случай обаче, за да се опише напълно геометрията на нанотръбата, е необходимо да се посочи нейният диаметър. Индексите на хиралността на едностенна нанотръба (m, n) еднозначно определят нейния диаметър D. Посочената връзка има следната форма:

където d 0 \u003d 0,142 nm е разстоянието между съседни въглеродни атоми в графитната равнина.

Връзката между индексите на хиралността (m, n) и ъгъла α се дава от отношението:

Сред различните възможни направления на сгъване на нанотръби има такива, за които комбинирането на шестоъгълника (n, m) с произхода не изисква изкривяване на неговата структура. По-специално, ъглите α \u003d 0 (конфигурация на фотьойла) и α \u003d 30 ° (конфигурация на зигзаг) отговарят на тези направления. Посочените конфигурации съответстват съответно на хиралностите (n, 0) и (2m, m).

Едностенни нанотръби

Структурата на едностенните нанотръби, наблюдавани експериментално, се различава в много отношения от идеализираната картина, представена по-горе. На първо място, това се отнася до върховете на нанотръбата, чиято форма, както следва от наблюденията, е далеч от идеалното полукълбо. Особено място сред едностенните нанотръби заемат т. Нар. Фотьойл-нанотръби или нанотрубки с хиралност (10, 10). В нанотръбите от този тип две от С-С връзките, които съставляват всеки шестчленен пръстен, са ориентирани успоредно на надлъжната ос на тръбата. Нанотръбите с подобна структура трябва да имат чисто метална структура.

Многостенни нанотръби

Многостенните (многостенни) нанотръби се различават от едностенните нанотръбици със значително по-голямо разнообразие от форми и конфигурации. Разнообразие от структури се проявява както в надлъжна, така и в напречна посока. Структурата на типа "руски кукли" (руски кукли) е колекция от коаксиално вмъкнати една в друга цилиндрични тръби. Друго разнообразие от тази структура е комбинация от коаксиални призми, вградени една в друга. И накрая, последната от тези структури наподобява свитък. Всички структури се характеризират с разстояние между съседни графитни слоеве, близко до 0,34 nm, което е присъщо на разстоянието между съседните равнини на кристалния графит.

Прилагането на определена структура на многостенни нанотръби в конкретна експериментална ситуация зависи от условията на синтез. Анализ на наличните експериментални данни показва, че най-типичната структура на многостенни нанотръби е структура с секции от руските типове matryoshka и papier-mache, разположени на редуване по дължината. В този случай „тръбичките“ с по-малък размер последователно се вкарват в тръби с по-голям размер.

Получаване на въглеродни нанотръби

Разработването на методи за синтез на въглеродни нанотръби (CNTs) премина по пътя на понижаване на температурите на синтез. След създаването на технологията за производство на фулерени е установено, че по време на електрическо дъгово изпарение на графитни електроди, заедно с образуването на фулерени, се образуват разширени цилиндрични структури. Микроскопистът Сумио Ииджима, използвайки трансмисионен електронен микроскоп (ТЕМ), е първият, който идентифицира тези структури като нанотръби. Високотемпературните методи за производство на CNT включват метод на електрическа дъга. Ако графитен прът (анод) се изпари в електрическа дъга, тогава върху противоположния електрод (катод) се образува твърд въглерод (натрупване), в меката сърцевина на който има многостенни CNT с диаметър 15-20 nm и дължина повече от 1 μm. Образуването на CNTs от фулерен сажди при високотемпературно термично излагане на сажди е наблюдавано за първи път от групите Оксфорд и Швейцария. Инсталацията за синтез на електрически дъги е консумация на метал, енергоемка, но универсална за производство на различни видове въглеродни наноматериали. В този случай неравновесният процес по време на изгарянето на дъгата е значителен проблем. Методът на електрическата дъга наведнъж замества метода на лазерно изпаряване (аблация) с лазерен лъч. Инсталацията за аблация е конвенционална пещ с резистивно нагряване, даваща температура 1200C. За да се получат по-високи температури в него, достатъчно е да поставите въглеродна мишена в пещта и да насочите към нея лазерен лъч, като алтернативно сканирате цялата повърхност на целта.

По този начин групата Smalley, използвайки скъпи инсталации с късоимпулсен лазер, получи нанотръби през 1995 г., "значително опростявайки" технологията за техния синтез. Добивът на CNT обаче остана нисък. Въвеждането на малки добавки на никел и кобалт в графита направи възможно увеличаването на добива на CNT до 70-90%. От този момент започва нов етап в разбирането на механизма на образуване на нанотръбите. Стана очевидно, че металът е катализатор на растежа. И така, се появяват първите работи по производството на нанотръби по нискотемпературен метод - методът на каталитична пиролиза на въглеводороди (CVD), при който частиците на металните метали са използвани като катализатор. Един от вариантите на CVD метода за производство на нанотръби и нановолокна е реактор, в който се въвежда инертен газ-носител, пренасящ катализатора и въглеводорода до зоната с висока температура. Опростено, механизмът за растеж на CNT е следният. Въглеродът, образуван при термично разлагане на въглеводород, се разтваря в метална наночастица.

Когато се достигне висока концентрация на въглерод в частицата, една от повърхностите на частицата на катализатора има енергийно благоприятно „излъчване“ на излишния въглерод под формата на изкривена полу-фулеренова капачка. Така се ражда нанотръбата. Разграденият въглерод продължава да постъпва в частицата на катализатора и за да се освободи излишъкът от концентрацията му в стопилката, е необходимо постоянно да се отърваваме от нея. Изгряващото полукълбо (полу-фулерен) от повърхността на стопилката носи със себе си разтворен излишен въглерод, атомите на който извън стопилката образуват С-С връзка, която представлява цилиндрична рамка от нанотръби. Точката на топене на частица в наноразмерно състояние зависи от нейния радиус. Колкото по-малък е радиусът, толкова по-ниска е точката на топене. Следователно железните наночастици с размер от порядъка на 10 nm са в разтопено състояние под 600 ° C. Понастоящем нискотемпературният синтез на CNT се осъществява по метода на каталитична пиролиза на ацетилен в присъствието на Fe частици при 550 ° С. Намаляването на температурата на синтеза има отрицателни последици. При по-ниски температури се получават CNT с голям диаметър (около 100 nm) и силно дефектна бамбукова структура или вградени нанокони. Получените материали се състоят само от въглерод, но те дори не се доближават до изключителните характеристики (например модул на Юнг), наблюдавани в едностенни въглеродни нанотръби, получени чрез лазерна аблация или синтез на електрическа дъга.



Напоследък по целия свят се наблюдава тревожен модел, който се състои в увеличаване на броя на заболяванията и уврежданията на хората в трудоспособна възраст, което спешно изисква разработването и въвеждането в клиничната практика на нови, по-ефективни и достъпни методи за рехабилитационно лечение на пациентите.

Наред с имплантацията и трансплантацията, тъканното инженерство е един от такива методи. Клетъчното и тъканното инженерство е най-новото развитие в молекулярната и клетъчната биология. Този подход отвори широки перспективи за създаването на ефективни биомедицински технологии, с помощта на които става възможно възстановяването на увредените тъкани и органи и лечението на редица тежки метаболитни заболявания при хората.

Целта на тъканното инженерство е изграждането и култивирането на живи, функционални тъкани или органи извън човешкото тяло за последваща трансплантация на пациент с цел да се замени или стимулира регенерацията на увредения орган или тъкан. С други думи, на мястото на дефекта трябва да се възстанови триизмерната структура на тъканта.

Конвенционалните импланти, направени от инертни материали, могат да елиминират само физическите и механичните несъвършенства на увредените тъкани, за разлика от тъканите, получени чрез инженерство, които възстановяват, включително биологичните (метаболитни) функции. Тоест настъпва регенерация на тъканите, а не просто заместване на синтетичния й материал.

За развитието и усъвършенстването на методите на реконструктивната медицина, основаващи се на тъканното инженерство, е необходимо да се овладеят нови високо функционални материали. Тези материали, използвани за създаване на биоимпланти, трябва да дадат на тъканно-инженерните структури характеристиките, присъщи на живите тъкани. Сред тези характеристики:

• 1) способност за самолечение;
• 2) способността да се поддържа кръвообращението;
• 3) способността да се променя структурата и свойствата в отговор на факторите на околната среда, включително механично напрежение.

Най-важният елемент на успеха е наличието на необходимия брой функционално активни клетки, които могат да диференцират, поддържат съответния фенотип и да изпълняват специфични биологични функции. Източникът на клетките може да бъде тъканите на тялото и вътрешните органи. Възможно е да се използват подходящи клетки от пациент, нуждаещ се от реконструктивна терапия, или от близък роднина (автоложни клетки). Могат да се използват клетки с различен произход, включително първични и стволови клетки. Първичните клетки са зрели клетки на специфична тъкан, които могат да бъдат взети директно от донорния организъм (ех vivo) чрез операция. Ако първичните клетки са взети от конкретен донорен организъм и впоследствие е необходимо да се имплантират тези клетки към него като реципиент, тогава вероятността за отхвърляне на имплантираната тъкан е изключена, тъй като е налице максимално възможна имунологична съвместимост на първичните клетки и реципиента. Първичните клетки обаче по правило не са в състояние да се разделят - потенциалът им за размножаване и растеж е нисък. При култивиране на такива клетки in vitro (чрез тъканно инженерство), за някои видове клетки е възможна дедиференциация, тоест загубата на специфични, индивидуални свойства. Така например хондроцитите, въведени в културата извън тялото, често произвеждат влакнести, а не прозрачни хрущяли.

Тъй като първичните клетки не са в състояние да се разделят и могат да загубят специфичните си свойства, възникна необходимостта от алтернативни клетъчни източници за развитието на технологии за клетъчна инженерия. Стволовите клетки са станали такава алтернатива.

Стволовите клетки са недиференцирани клетки, които имат способността да се разделят, самообновяват и диференцират в различни видове специализирани клетки под въздействието на специфични биологични стимули.

Стволовите клетки се делят на "възрастни" и "ембрионални". Ембрионалните стволови клетки се формират от вътрешната клетъчна маса на развитието на ембриона в ранен стадий, а възрастните - от тъканите на тялото на възрастни, пъпната връв или дори от тъканите на плода. Съществува обаче етичен проблем, свързан с неизбежното унищожаване на човешкия ембрион при получаване на ембрионални стволови клетки. Следователно е за предпочитане да се "събират" клетки от тъкани на възрастни. Така например през 2007 г. Shinya Yamanaka от Японския университет в Киото открива индуцирани плюрипотентни стволови клетки (iPSCs), получени от човешките косвени тъкани (главно от кожата). IPSC предлагат наистина безпрецедентни възможности за регенеративна медицина, въпреки че преди сериозно да влязат в медицинската практика, трябва да се решат много повече проблеми.

За да се насочи организацията, да се поддържа растежът и диференциацията на клетките в процеса на реконструкция на увредената тъкан, е необходим специален клетъчен носител - матрица, представляваща триизмерна мрежа, която прилича на гъба или пемза. За създаването им се използват биологично инертни синтетични материали, материали на базата на естествени полимери (хитозан, алгинат, колаген) и биокомпозити. Например еквивалентите на костната тъкан се получават чрез насочено диференциране на стволови клетки от костен мозък, кръв от пъпна връв или мастна тъкан в остеобласти, които след това се прилагат към различни материали, които поддържат тяхното разделяне (например, донорна кост, колагенови матрици и др.).

Днес една от стратегиите на тъканното инженерство е следната:

• 1) селекция и култивиране на собствени или донорски стволови клетки;
• 2) разработване на специален носител за клетки (матрица) на базата на биосъвместими материали;
• 3) прилагане на клетъчна култура към матрицата и размножаване на клетки в биореактор със специални условия на култивиране;
• 4) директно въвеждане на тъканно-инженерния дизайн в зоната на засегнатия орган или предварително поставяне в района, добре снабден с кръв, за узряване и образуване на микроциркулация вътре в структурата (сглобяване).

Матриците известно време след имплантирането в организма гостоприемник напълно изчезват (в зависимост от скоростта на растеж на тъканта), а на мястото на дефекта ще остане само нова тъкан. Възможно е също така да се въведе матрица с вече частично оформена нова тъкан („биокомпозит“). Разбира се, след имплантацията тъканно-инженерната структура трябва да запази своята структура и функции за период от време, достатъчен за възстановяване на нормално функциониращата тъкан на мястото на дефекта и интегриране с околните тъкани. Но за съжаление все още не са създадени идеални матрици, които удовлетворяват всички необходими условия.

Обещаващите технологии за тъканно инженерство отвориха възможността за лабораторно създаване на живи тъкани и органи, но науката е безсилна преди създаването на сложни органи. Въпреки това, сравнително наскоро, учени, водени от д-р Гюнтер Товар от дружеството Fraunhofer в Германия, направиха огромен пробив в областта на тъканното инженерство - те разработиха технология за създаване на кръвоносни съдове. Но изглеждаше, че е изкуствено невъзможно да се създадат капилярни структури, тъй като те трябва да са гъвкави, еластични, с малка форма и в същото време да взаимодействат с естествените тъкани. Колкото и да е странно, технологията на производство дойде на помощ - метод за бързо прототипиране (с други думи, 3D печат). Разбира се, че сложен триизмерен модел (в нашия случай кръвоносен съд) се отпечатва на триизмерен мастиленоструен принтер с помощта на специално "мастило".

Принтерът прилага материала на слоеве, а на определени места слоевете се комбинират химически. Имайте предвид обаче, че за най-малките капиляри триизмерните принтери все още не са достатъчно точни. В тази връзка беше приложен методът на многофотонната полимеризация, използван в полимерната индустрия. Кратките интензивни лазерни импулси, обработващи материала, възбуждат молекулите толкова много, че взаимодействат помежду си, свързвайки се в дълги вериги. Така материалът полимеризира и става твърд, но еластичен, като естествените материали. Тези реакции са толкова контролирани, че могат да бъдат използвани за създаване на най-малките структури в съответствие с триизмерен "чертеж".

И за да могат създадените кръвоносни съдове да се свързват с клетките на тялото, при производството на съдове те интегрират модифицирани биологични структури (например хепарин) и котвени протеини. На следващия етап ендотелните клетки (еднослоен слой от плоски клетки, облицоващи вътрешната повърхност на кръвоносните съдове) се фиксират в системата от създадени „епруветки“ - така че кръвните компоненти да не залепват по стените на съдовата система, а да се транспортират свободно през нея.

Въпреки това, преди да е наистина възможно да се имплантират органи, отглеждани в лабораторията, със собствени кръвоносни съдове, ще мине още малко време.

През есента на 2008 г., ръководителят на клиниката в университета в Барселона (Испания) и Медицинското училище в Хановер (Германия), проф. Паоло Макиарини извърши първата успешна трансплантация на биоинженериран еквивалент на трахеята на пациент със стеноза на основния ляв бронх за 3 cm.

За матрицата на бъдещата трансплантация беше взет сегмент от трупна трахея с дължина 7 см. За да се получи естествена матрица, която превъзхожда всичко, което може да бъде направено от полимерни епруветки, трахеята се почиства от заобикалящата съединителна тъкан, донорски клетки и антигени за хистосъвместимост. Пречистването се състои от 25 цикъла на девитализация, използвайки 4% натриев деоксихолат и дезоксирибонуклеаза I (процесът отне 6 седмици). След всеки цикъл на девитализация се извършва хистологично изследване на тъканта, за да се определи броят на останалите нуклеирани клетки, както и имунохистохимично изследване за наличие на антигени за хистосъвместимост HLA-ABC, HLA-DR, HLA-DP и HLA-DQ в тъканта. Благодарение на свой собствен биореактор, учените равномерно прилагат суспензия от клетки върху повърхността на бавно въртящ се сегмент на трахеята. След това присадката, наполовина потопена в средата за култивиране, се завърта около оста си, за да се редува контакт с клетките със средата и въздуха.

Тъканно инженерство   - Млада и развиваща се област на медицината, която отваря нови възможности за човечеството. Професията е подходяща за тези, които се интересуват от химия и биология (вижте избора на професия за интерес към учебните предмети).

В тази статия ще ви разкажем за професията тъкан инженер - една от професиите на бъдещето в тази посока.

Какво е тъканно инженерство?

Това е наука, възникнала на границата между клетъчната биология, ембриологията, биотехнологията, трансплантологията и науката за медицинските материали.

Тя е специализирана в разработването на биологични аналози на органи и тъкани, създадени от живи клетки и предназначени за възстановяване или замяна на техните функции.

Кой е тъкан инженер?

Това е специалност, която ще бъде търсена в близко бъдеще. Задълженията на този професионалист включват разработването и контрола на производствения процес, подбора на материали и формирането на необходимите условия за създаване на тъканно-инженерни импланти (присадки) и по-нататъшната им трансплантация. Според някои доклади тази професия ще започне да се разпространява след 2020 г.

Разработката и прилагането на присадката включва няколко етапа:

- първо, необходимо е да селектират и култивират клетки;

- тогава се създава клетъчен носител (матрица), използвайки биосъвместими материали;

- след това клетките се поставят върху матрицата и тяхното възпроизвеждане става в биореактора;

- накрая, имплантът се поставя в областта на не функциониращ орган. Ако е необходимо, преди това присадката се въвежда в зоната с добро кръвоснабдяване за съзряването й (този процес се нарича сглобяване).

Изходният материал може да бъде клетките на тъканта, която трябва да се регенерира, или стволови клетки. При производството на матрици могат да се използват различни видове материали (биокомпозит, синтетичен биологично инертен, естествен полимер).

Къде се прилагат присадки

• Създаването на изкуствени аналози на кожата, спомагащи за регенерацията на кожата при обширни изгаряния.
• Тъканно инженерните импланти също имат голям потенциал в областта на кардиологията (биологични аналози на сърдечните клапи, реконструкция на артерии, вени и капиляри).
• В допълнение, те се използват за пресъздаване на дихателната система, храносмилателните органи, пикочната система, жлезите с външна и вътрешна секреция.

Къде да уча като тъкан инженер

В момента у нас няма образователни програми, осигуряващи обучение по тази специалност, има само редица лаборатории в научноизследователски институти, специализирани в тъканното инженерство. Специалистите, които желаят да се развиват в тази област, могат да получат основно медицинско образование. Трябва да помислите и за възможността за следване в чужбина: Магистрите по тази специалност активно се развиват в САЩ и Европа.

Професионално важни качества:

• системно мислене;
• интерес към работа в интердисциплинарна област;
• готовност за работа в условия на несигурност;
• изследователски интерес;
• собственост на работа в екип.

Специалности:

• биология;
• химия;
• физика;
• математика;
• компютърни науки.

Напредък в съвременното тъканно инженерство

Създадени и успешно се прилагат женски аналози на зърното на гърдата, тъканно инжектиран пикочен мехур и уретери. В момента се правят изследвания за създаването на черния дроб, трахеята и чревните елементи.

Водещите изследователски лаборатории работят по реконструкцията на друг трудно възстановим човешки орган - зъба. Трудността се състои във факта, че зъбните клетки се развиват от няколко тъкани, комбинация от които не би могла да се възпроизведе. Понастоящем само ранните етапи на формиране на зъбите не са пресъздадени напълно.Създаването на изкуствено око в момента е на началния етап, но вече е възможно да се разработят аналози на отделните му черупки - роговици, склера, ирис.

В същото време въпросът как да ги интегрираме в едно цяло остава отворен.

Група немски учени от университета в Кил успяха успешно да възстановят долната челюст на пациента, която беше почти напълно отстранена поради тумора.

Стволовите клетки на пациента заедно с костните растежни фактори бяха поставени в точно копие на челюстта му, създадено от титанова мрежа. След това, по време на инкубационния период, този конструкт е поставен в продължение на 8 седмици в мускула му под дясната скапула, откъдето след това е бил трансплантиран на пациента.

Преждевременно е да се говори за това колко ефективно ще функционира такава челюст. Това обаче е първият надежден случай на костна трансплантация, буквално отглеждана вътре в човешкото тяло.