Функционално инженерство на костната тъкан: импулси и структури на скеле. Тъканен инженер Професионално важни качества

Изпратете добрата си работа в базата знания е лесно. Използвайте формата по-долу

Студенти, докторанти, млади учени, които използват базата от знания в обучението и работата си, ще ви бъдат много благодарни.

публикувано на http://www.allbest.ru/

Макеевска гимназия I - III степени №72

на тема: Тъканно инженерство в медицината

Завършено:

Шуджаула Камил

Въведение

1.1 Първични клетки

1.2 Стволови клетки

3.2 3D биопечат

4. Тъканно култивиране

4.7 Костен мозък

5 Отглеждане на органи

5.1 Пикочен мехур

5.2 Трахея

5.4 Черен дроб

5.5 Сърце

5.6 Бели дробове

Заключение

Приложение

Въведение

Едно от направленията на биотехнологията, което се занимава със създаването на биологични заместители на тъкани и органи, е тъканното инженерство (TI).

Тъканното инженерство е създаването на нови тъкани и органи за терапевтична реконструкция на увреден орган чрез доставяне на поддържащи структури, клетки, молекулярни и механични сигнали до желаната област за регенерация.

Понастоящем тъканното инженерство започва да се използва в клиничната практика за лечение на дегенеративни заболявания и малформации; с изгаряния и наранявания, с късна хидро- и уретерохидронефроза, както и със стоматологични и козметични операции.

Съвременни разработки в биомедицината и в частност тъканното инженерство; може да се използва за подобряване на ефективността на лечението при възстановяване на загубени функционално значими тъкани.

1. Клетки за тъканно инженерство

Най-важният елемент на успеха е наличието на необходимия брой функционално активни клетки, които са в състояние да се диференцират, поддържат подходящия фенотип и изпълняват специфични биологични функции. Източникът на клетките може да бъде телесни тъкани и вътрешни органи. Възможно е да се използват подходящи клетки от пациент, нуждаещ се от реконструктивна терапия, или от близък роднина (автогенни клетки). Могат да се използват клетки от различен произход, включително първични и стволови клетки.

1.1 Първични клетки

Първичните клетки са зрели клетки от специфична тъкан, които могат да бъдат взети директно от донорен организъм (ex vivo) чрез операция. Ако първичните клетки са взети от определен донорен организъм и впоследствие тези клетки трябва да бъдат имплантирани в него като реципиент, тогава вероятността от отхвърляне на имплантираната тъкан е изключена, тъй като съществува максималната възможна имунологична съвместимост на първичните клетки и получателят. Първичните клетки обаче по правило не са в състояние да се делят - техният потенциал за възпроизводство и растеж е нисък.

При култивиране на такива клетки in vitro (чрез тъканно инженерство) за някои видове клетки е възможна дедиференциация, тоест загуба на специфични, индивидуални свойства. Например, хондроцитите, въведени в култура извън тялото, често произвеждат фиброзен, а не прозрачен хрущял.

Тъй като първичните клетки не са в състояние да се делят и могат да загубят своите специфични свойства, има нужда от алтернативни клетъчни източници за разработването на технологии за клетъчно инженерство. Стволовите клетки се превърнаха в такава алтернатива.

1.2 Стволови клетки

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

Стволовите клетки се делят на "възрастни" и "ембрионални"

Източникът на "възрастни" стволови клетки е кръвта от пъпна връв, събрана след раждането на дете. Тази кръв е много богата на стволови клетки. Чрез вземане на тази кръв от пъпната връв на детето и поставянето й в криобанка (специално хранилище), стволовите клетки могат по-късно да бъдат използвани за възстановяване на почти всяка тъкан и орган на този индивид. Също така е възможно тези стволови клетки да се използват за лечение на други пациенти, при условие че са антиген съвместими. Американски учени са получили стволови клетки от човешката плацента (там техният брой е 10 пъти повече, отколкото в кръвта от пъпна връв), които могат да се трансформират в кожни, кръвни, мускулни и нервни клетки.

Източникът на друг вид стволови клетки, фетални (ембрионални) стволови клетки, е абортираният материал от 9-12 седмица от бременността. Този източник е най-често използваният. Но освен етични и правни търкания, феталните клетки понякога могат да причинят отхвърляне на трансплантант. В допълнение, използването на нетестван абортивен материал е изпълнено с инфекция на пациента с вирусен хепатит, СПИН, цитомегаловирус и др.

За насочване на организацията, поддържане на растежа и диференциацията на клетките в процеса на възстановяване на увредената тъкан е необходим специален клетъчен носител - матрица, която представлява триизмерна мрежа, подобна на гъба или пемза (допълнителна фигура 3) . За създаването им се използват биологично инертни синтетични материали, материали на базата на естествени полимери (хитозан, алгинат, колаген) и биокомпозити. Например, еквиваленти на костна тъкан се получават чрез насочена диференциация 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.).

2. Етапи на създаване на изкуствени органи

Към днешна дата една от стратегиите на тъканното инженерство е следната:

1. Селекция и култивиране на собствен или донорен клетъчен материал.

Клетъчният материал може да бъде регенерирани тъканни клетки или стволови клетки.

На първия етап се избира собствен или донорен клетъчен материал (биопсия), тъканно-специфични клетки се изолират и култивират. Съставът на тъканно-инженерната структура, или присадката, в допълнение към клетъчната култура включва специален носител (матрица)

2. Разработване на специален клетъчен носител (матрица) на базата на биосъвместими материали

Матриците могат да бъдат направени от различни биосъвместими материали. За създаване на матрици от присадки се използват биологично инертни синтетични материали, материали на базата на естествени полимери (хитозан, алгинат, колаген), както и биокомпозитни материали. Например, еквиваленти на костна тъкан се получават чрез целенасочена диференциация на стволови клетки от костен мозък, кръв от пъпна връв или мастна тъкан. Клетките от получената култура се нанасят върху матрицата. инженерно култивиране на тъканни органи

3. Прилагане на клетъчна култура върху матрица и клетъчно размножаване в биореактор със специални условия на култивиране

Където културата се инкубира за определено време. Първите биореактори са създадени за производство на изкуствена чернодробна тъкан.

4. Директно въвеждане на присадката в областта на засегнатия орган или предварително поставяне в добре кръвоснабдена зона за узряване и образуване на микроциркулация вътре в присадката (предварително производство)

Биоматериалите, използвани за получаване на матрици, трябва да бъдат биологично инертни и след присаждане (пренасяне в тялото) да осигуряват локализирането на нанесения върху тях клетъчен материал на определено място. Повечето биоматериали на тъканното инженерство лесно се разрушават (резорбират) в тялото и се заместват от собствените му тъкани. В този случай не трябва да се образуват междинни продукти, които са токсични, променят pH на тъканта или нарушават растежа и диференциацията на клетъчната култура. Почти никога не се използват нерезорбируеми материали, т.к ограничават регенеративната дейност, предизвикват прекомерно образуване на съединителна тъкан, провокират реакция към чуждо тяло (капсулиране)

Живи кожни еквиваленти, съдържащи донорски или собствени кожни клетки, в момента се използват широко в САЩ, Русия и Италия. Тези конструкции подобряват заздравяването на обширни повърхности на изгаряне. Разработването на присадки 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, органите на отделителната система, ендокринните жлези и невроните. Металните наночастици в тъканното инженерство се използват за контролиране на растежа на клетките чрез излагането им на магнитни полета с различни посоки. Например, по този начин беше възможно да се създадат не само аналози на чернодробни структури, но и такива сложни структури като елементи на ретината. Също така, нанокомпозитните материали, създадени с помощта на метода на електронно-лъчевата литография (електронно-лъчева литография, EBL), осигуряват наноразмерна грапавост на повърхността на матриците за ефективно формиране на костни импланти. Създаването на изкуствени тъкани и органи ще позволи да се откаже трансплантацията на повечето донорски органи, да се подобри качеството на живот и оцеляването на пациентите.

3. Основни методи на тъканното инженерство

3.1 Симулация на естествена органогенеза

Органогенезата - процесът на образуване на органи по време на ембрионалното развитие

Органогенезата се съпровожда от диференциация на клетки, тъкани, избирателен и неравномерен растеж на отделни органи и части на тялото, продължава в ларвата и завършва в ювенилния период.

3.2 3D биопечат

Обещаващите технологии за тъканно инженерство откриха възможността за лабораторно създаване на живи тъкани и органи, но науката все още е безсилна пред създаването на сложни органи. Въпреки това, сравнително наскоро учени, ръководени 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 невъзможно изкуствено да се създадат капилярни структури, тъй като те трябва да бъдат гъвкави, еластични, малки по форма и в същото време да взаимодействат с естествените тъкани. Колкото и да е странно, но производствените технологии дойдоха на помощ - метод за бързо прототипиране (с други думи, 3D печат). Подразбира се, че сложен триизмерен модел (в нашия случай кръвоносен съд) се отпечатва на триизмерен мастиленоструен принтер с помощта на специално "мастило". Принтерът нанася материала на слоеве, като на определени места слоевете се съединяват химически. Отбелязваме обаче, че за най-малките капиляри триизмерните принтери все още не са достатъчно точни. В тази връзка е приложен методът на многофотонна полимеризация, използван в полимерната индустрия. Кратки интензивни лазерни импулси, които обработват материала, възбуждат молекулите толкова силно, че те взаимодействат една с друга, свързвайки се в дълги вериги. Така материалът полимеризира и става твърд, но еластичен, като естествените материали. Тези реакции са толкова контролируеми, че могат да бъдат използвани за създаване на най-малките структури според триизмерен "чертеж".

И за да могат създадените кръвоносни съдове да се свързват с клетките на тялото, по време на производството на съдове в тях се интегрират модифицирани биологични структури (например хепарин) и "котвени" протеини. На следващия етап ендотелните клетки (единичен слой плоски клетки, облицоващи вътрешната повърхност на кръвоносните съдове) се фиксират в системата от създадени „тубули“, така че кръвните компоненти не се придържат към стените на съдовата система, а са свободни транспортирани през него. Въпреки това ще мине известно време, преди действително да се имплантират лабораторно отгледани органи със собствени кръвоносни съдове.

Отглеждане на органи върху донорска или ксенологична матрица, отглеждане на органи върху изкуствена матрица вижте стр.3

4. Тъканно култивиране

Култивирането на прости тъкани е вече съществуваща и използвана в практиката технология.

Възстановяването на увредени участъци от кожата вече е част от клиничната практика. В някои случаи се използват методи за регенериране на кожата на самия човек, например жертва на изгаряне чрез специални ефекти. Това е, например, разработено от R.R. Рахматулин биопластмасов материал hyamatrix или biocol, разработен от екип, ръководен от B.K. Гаврилюк. Специални хидрогелове също се използват за растеж на кожата на мястото на изгаряне.

Разработват се и методи за отпечатване на фрагменти от кожна тъкан с помощта на специални принтери. Такива технологии се създават например от разработчици от американските центрове за регенеративна медицина AFIRM и WFIRM.

Д-р Йорг Герлах и колеги от Института за регенеративна медицина към университета в Питсбърг са изобретили устройство за присаждане на кожа, което ще помогне на хората да се излекуват по-бързо от изгаряния с различна тежест. Skin Gun пръска разтвор със собствените си стволови клетки върху увредената кожа на жертвата. В момента нов метод за лечение е в експериментален етап, но резултатите вече са впечатляващи: тежките изгаряния зарастват само за няколко дни.

Група служители на Колумбийския университет, ръководени от Гордана Вуняк-Новакович (Gordana Vunjak-Novakovic), получиха от стволови клетки, засети върху рамка, костен фрагмент, подобен на част от темпоромандибуларната става.Учени от израелската компания Bonus Biogroup (основател и изпълнителен директор - Pai Meretsky, Shai Meretzki разработват методи за отглеждане на човешка кост от мастна тъкан на пациент, получена чрез липосукция. Така отгледаната кост вече е успешно трансплантирана в лапа на плъх.

Италиански учени от университета в Удине успяха да покажат, че популация от мезенхимни стволови клетки, получена от една клетка от мастна тъкан in vitro, дори при липса на специфична структурна матрица или субстрат, може да бъде диференцирана в структура, наподобяваща зъбен зародиш .

В университета в Токио учени са отгледали пълноценни зъби от миши стволови клетки, съдържащи зъбни кости и съединителни влакна, и успешно са ги трансплантирали в челюстите на животни.

Специалисти от Медицинския център на Колумбийския университет (Columbia University Medical Center), ръководени от Джереми Мао (Jeremy Mao) успяха да възстановят ставния хрущял на зайци.

Първо, изследователите отстраняват хрущялната тъкан на раменната става от животните, както и подлежащия слой от костна тъкан. След това на мястото на отстранените тъкани бяха поставени колагенови скелета.

При тези животни, чиито скелета съдържат трансформиращ фактор на растежа, протеин, който контролира клетъчната диференциация и растеж, костната и хрущялната тъкан на раменната кост се формира отново и движението в ставата е напълно възстановено.

Група американски учени от Тексаския университет в Остин успяха да създадат хрущялна тъкан с механични свойства и състав на извънклетъчния матрикс, които се променят в различни области.

През 1997 г. хирургът Джей Всканти от Масачузетската обща болница в Бостън успя да отгледа човешко ухо на гърба на мишка, използвайки хрущялни клетки.

Лекари от университета Джон Хопкинс отстраниха засегнато от тумор ухо и част от черепната кост на 42-годишна жена с рак. Използвайки хрущял от гърдите, кожата и кръвоносните съдове от други части на тялото на пациентката, те отглеждат изкуствено ухо на ръката й и след това го трансплантират на правилното място.

Изследователи от Политехническия институт Уорчестър (САЩ) успешно поправиха голяма рана в мускулната тъкан при мишки чрез отглеждане и имплантиране на микрофиламенти, състоящи се от протеинов полимерен фибрин, покрит със слой от човешки мускулни клетки.

Израелски учени от Технион-Израелския технологичен институт изследват необходимата степен на васкуларизация и тъканна организация in vitro, за да подобрят оцеляването и интегрирането на тъканно конструиран васкуларизиран мускулен имплант в тялото на реципиента.

Изследователи от университета "Пиер и Мария Кюри" в Париж, ръководени от Люк Дуей, успешно тестваха изкуствена кръв, отгледана от стволови клетки върху човешки доброволци за първи път в света.

Всеки от участниците в експеримента е получил 10 милиарда червени кръвни клетки, което се равнява на около два милилитра кръв. Степента на преживяемост на получените клетки е сравнима с тази на конвенционалните еритроцити.

4.7 Костен мозък

Изкуствен костен мозък, предназначен за ин витро производство на кръвни клетки, беше успешно създаден за първи път от изследователи в лабораторията по химическо инженерство на Мичиганския университет, ръководени от Николас Котов. С негова помощ вече е възможно да се получат хемопоетични стволови клетки и В-лимфоцити – клетки на имунната система, които произвеждат антитела.

5. Отглеждане на сложни органи

5.1 Пикочен мехур

Д-р Антъни Атала и колегите му от университета Уейк Форест в САЩ отглеждат пикочни мехури от собствените клетки на пациентите и ги трансплантират на пациенти.

Избрали няколко пациенти и им взели биопсия от пикочния мехур - проби от мускулни влакна и уротелни клетки. Тези клетки пролиферират в продължение на седем до осем седмици в панички на Петри върху мехурчеста основа. След това отгледаните по този начин органи се пришивали в телата на пациентите.

Проследяването на пациентите в продължение на няколко години показва, че органите функционират добре, без отрицателните ефекти от по-старите лечения.

Всъщност това е първият път, когато достатъчно сложен орган, а не прости тъкани като кожа и кости, е изкуствено отгледан in vitro и трансплантиран в човешко тяло. Този екип също така разработва методи за отглеждане на други тъкани и органи.

5.2 Трахея

Испански хирурзи извършиха първата в света трансплантация на трахея, отгледана от стволови клетки на пациент, 30-годишната Клаудия Кастило.

Органът е отгледан в университета в Бристол с помощта на донорско скеле от колагенови влакна.

Операцията е извършена от професор Паоло Макиарини от Hospital Clínic de Barcelona.

Професор Macchiarini активно си сътрудничи с руски изследователи, което направи възможно извършването на първите операции за трансплантация на пораснала трахея в Русия.

Advanced Cell Technology съобщиха през 2002 г., че успешно са отгледали пълен бъбрек от една клетка, взета от ухо на крава, използвайки технология за клониране за получаване на стволови клетки.

С помощта на специално вещество стволовите клетки са превърнати в бъбречни клетки.

Тъканта е отгледана върху скеле, направено от саморазрушаващ се материал, създаден в Харвардското медицинско училище и оформен като обикновен бъбрек. Получените бъбреци с дължина около 5 см се имплантират в кравата до основните органи.

В резултат на това изкуственият бъбрек успешно започна да произвежда урина.

5.4 Черен дроб

Американски експерти от Масачузетската обща болница (Massachusetts General Hospital), ръководени от Коркут Югун (Korkut Uygun), успешно трансплантираха няколко плъха с черен дроб, отгледан в лабораторията от собствените им клетки.

Изследователите извадиха черния дроб от пет лабораторни плъха, почистиха ги от клетките гостоприемници, като по този начин получиха съединителнотъканни скелета на органи.

След това изследователите инжектираха приблизително 50 милиона чернодробни клетки от реципиентни плъхове във всяко от петте скелета. В рамките на две седмици на всяко от населените с клетки скелета се формира напълно функциониращ черен дроб.

След това отгледаните в лаборатория органи бяха успешно трансплантирани на пет плъха.

5.5 Сърце

Учени от британската болница Heafield, ръководени от Мегди Якуб, за първи път в историята са отгледали част от сърцето, използвайки стволови клетки като "строителен материал". Лекарите са отгледали тъкан, която работи точно като сърдечните клапи, отговорни за кръвния поток в човешкото тяло. Учени от университета в Рощок (Германия) използваха технология за клетъчно отпечатване с индуциран лазерен пренос (LIFT), за да направят „лепенка“, предназначена за регенерация на сърцето.

5.6 Бели дробове

Американски учени от Йейлския университет (Yale University), ръководени от Лора Никласън (Laura Niklason) са отгледали в лабораторията бели дробове (на донорска извънклетъчна матрица). Матрицата е пълна с белодробни епителни клетки и вътрешната обвивка на кръвоносните съдове, взети от други индивиди. Чрез култивиране в биореактор изследователите успяха да отгледат нови бели дробове, които след това бяха трансплантирани в няколко плъха. Органът е функционирал нормално при различни индивиди от 45 минути до два часа след трансплантацията. След това обаче започнаха да се образуват кръвни съсиреци в съдовете на белите дробове. Освен това изследователите регистрират изтичане на малко количество кръв в лумена на органа. За първи път обаче изследователите успяха да демонстрират потенциала на регенеративната медицина за белодробна трансплантация.

Заключение

Клетъчното (тъканното) инженерство е клон на биотехнологията, който използва методи за изолиране на клетки от тялото, трансформирането им и отглеждането им върху хранителни среди.

Една от областите на клетъчното инженерство е използването на стволови клетки за възстановяване на увредени тъкани и органи. В лабораторни условия е възможно размножаване и по-нататъшна специализация на стволови клетки. Това открива перспективи за изкуствено култивиране на тъкани и някои органи на хора и животни с цел последващото им въвеждане в организми.

Друга област на клетъчното инженерство е клонирането на организми. Клон (от гръцки. Clone - клон, потомство) е съвкупност от клетки или индивиди, получени от общ прародител по безполов път; клонът се състои от генетично хомогенни клетки или организми. При растенията естественото клониране е широко разпространено поради безполово, по-специално вегетативно размножаване. Учените получават и изкуствени клонинги на растения.

Приложение

Хоствано на Allbest.ru

Подобни документи

Генно инженерство: история на възникване, общи характеристики, предимства и недостатъци. Запознаване с най-новите методи на генното инженерство, използването им в медицината. Развитие на генното инженерство в областта на животновъдството и птицевъдството. Експерименти върху плъхове.

курсова работа, добавена на 07/11/2012

Появата на биотехнологиите. Основните направления на биотехнологията. Биоенергетиката като дял от биотехнологиите. Практически постижения на биотехнологията. История на генното инженерство. Цели, методи и ензими на генното инженерство. Постижения в генното инженерство.

резюме, добавено на 23.07.2008 г

Използването на генното инженерство като биотехнологичен инструмент за контрол на наследствеността на живите организми. Характеристики на основните методи и постижения на генното инженерство в медицината и селското стопанство, свързани с тях опасности и перспективи.

доклад, добавен на 05/10/2011

Методи за култивиране на човешки и животински соматични клетки върху изкуствени хранителни среди като предпоставка за развитие на клетъчното инженерство. Етапи на соматична хибридизация. Трансфер на генетичен материал. Произход на трансгенните растения.

резюме, добавено на 23.01.2010 г

Концепцията и основните методи на генното инженерство. Метод за извличане на ДНК на примера на ДНК плазмиди. Принципи на работа на рестрикционно-модификационната система. Трансфер и откриване на клонирани гени в клетки. Конструиране и въвеждане на рекомбинантни ДНК молекули в клетките.

резюме, добавено на 23.01.2010 г

Същността на генното и клетъчното инженерство. Основните задачи на генетичната модификация на растенията, анализ на вредността от употребата им в храната. Характеристики на хибридизацията на растителни и животински клетки. Механизмът за получаване на лекарствени вещества с помощта на генно инженерство.

презентация, добавена на 26.01.2014 г

Трансплантация на гени и части от ДНК на един вид в клетки на друг организъм. История на генното инженерство. Отношението към генномодифицираните организми в света. Нови ГМ сортове. Какво носи генното инженерство на човечеството? Какви са перспективите на генното инженерство.

презентация, добавена на 24.02.2015 г

История, цели и основи на генното инженерство; биоетични аспекти. Групи генетични заболявания, тяхната диагностика и лечение. Приложение на генното инженерство в медицинската практика: генни ваксини, генна терапия, производство на лекарства.

резюме, добавено на 26.10.2011 г

Използването на клетки, които не съществуват в природата, в биотехнологични процеси. Изолирането на гени от клетките, манипулациите с тях, въвеждането им в други организми са в основата на задачите на генното инженерство. История на генното инженерство. Проблеми на продуктите с ГМО.

презентация, добавена на 21.02.2014 г

Предпоставки за възникване на генетиката. Основа на мутационната теория. Генетиката като наука за наследствеността: нейните първоначални закони и развитие. Генно инженерство: изследователски аспекти и практически резултати. Клониране на органи и тъкани.

тъканно инженерство) е подход за създаване на имплантируеми тъкани и органи, който използва фундаментални структурно-функционални взаимодействия в нормални и патологично променени тъкани за създаване на биологични заместители за възстановяване или подобряване на функционирането на тъканите. Тъканно инженерните конструкции са биомедицински клетъчен продукт, който се състои от клетки (клетъчни линии), биосъвместим материал и ексципиенти и означава всеки биомедицински клетъчен продукт, който се състои от клетъчна линия (клетъчни линии) и биосъвместим материал. Терминът "биосъвместим материал" в този контекст означава всеки биосъвместим материал от естествен (например децелуларизирани присадки) или синтетичен произход. Например такива материали включват биосъвместими полимери (полилактат и полиглюконат), биосъвместими метали и сплави (титан, платина, злато), биосъвместими естествени полимери (колаген).

Конструкциите на тъканното инженерство се използват при създаването на биологични заместители за възстановяване или подобряване на функционирането на тъканите. Клетките, като компонент на конструкта, могат да бъдат получени от различни източници и да бъдат на различни етапи на диференциация от слабо диференцирани клетки до силно диференцирани специализирани клетки. Колонизирането на подготвената матрица от клетки е неотложен проблем на съвременната биомедицина. В същото време свойствата на повърхността на матрицата влияят на клетъчната колонизация, включително прикрепването на клетките и тяхната пролиферация по протежение на матрицата.

Понастоящем известните методи за получаване на тъканно-инженерни конструкции използват приготвянето на клетъчна суспензия и физическото прилагане на тази суспензия към биосъвместим материал чрез поетапно утаяване на суспензионната култура с образуването на монослой и поставяне на материала в разтвор за дълго време , достатъчни за проникване на клетките в целия обем на материала, както и използване на 3D биопринтиране. Предлагат се различни методи за образуване на тъканно инженерни еквиваленти на кухи вътрешни органи, като уретра, пикочен мехур, жлъчни пътища, трахея.

Клинични изследвания[ | ]

Тъканно инженерни конструкции, базирани на биосъвместими материали, са изследвани в клинични изпитвания върху пациенти с урологични и дерматологични заболявания.

Вижте също [ | ]

Бележки [ | ]

, Fox C. F. Тъканно инженерство: протоколи от семинар, проведен в Granlibakken, Lake Tahoe, Калифорния, 26-29 февруари 1988 г. - Alan R. Liss, 1988. - T. 107.
Атала А., Каспер Ф. К., Микос А. Г.Инженерни сложни тъкани // Научна транслационна медицина. - 2012. - Т. 4, № 160. - S. 160rv12. - ISSN 1946-6234. - DOI:10.1126/scitranslmed.3004890.
Васютин И.А., Лундъп А.В., Винаров А.З., Бутнару Д.В., Кузнецов С.Л.Реконструкция на уретрата с помощта на технологии за тъканно инженерство. (Руски) // Бюлетин на Руската академия на медицинските науки. - 2017. - Т. 72, № 1. - стр. 17–25. - ISSN 2414-3545. - DOI:10.15690/vramn771.
Барановски Д.С., Лундъп А.В., Паршин В.Д.Получаване на функционален ресничест епител in vitro за тъканно инженерство на трахеята (руски) // Бюлетин на Руската академия на медицинските науки. - 2015. - Т. 70, № 5. - стр. 561–567. - ISSN 2414-3545. - DOI:10.15690/vramn.v70.i5.1442.
Лорънс Б. Дж., Мадихали С. В.Клетъчна колонизация в разградими 3D порести матрици // Клетъчна адхезия и миграция. - 2008. - Т. 2, № 1. - стр. 9-16.
Миронов В. и др. Отпечатване на органи: компютърно подпомагано струйно 3D тъканно инженерство // ТЕНДЕНЦИИ в биотехнологиите. - 2003. - Т. 21. - бр. 4. - С. 157-161. направи:

Тъканното инженерство някога е било класифицирано като подраздел на биологичните материали, но с нарастването на обхвата и значението му може да се разглежда като подраздел сам по себе си. Тъканите изискват определени механични и структурни свойства, за да функционират правилно. Терминът "тъканно инженерство" също се отнася до коригиране на изпълнението на специфични биохимични функции с помощта 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 в регенеративната медицина се набляга повече на използването на стволови клетки за производство на тъкани.

Обикновено тъканното инженерство, както заявяват Лангер и Ваканти, се разглежда като „интердисциплинарна област, в която принципите на инженерството и биологията се прилагат за разработване на биологични заместители, което е възстановяване, запазване или подобряване на функцията на тъкани или цял орган ." Тъканното инженерство също се определя като „разбирането на принципите на растежа на тъканите и тяхното приложение за производството на функционални тъканни заместители за клинична употреба“. По-подробно описание гласи, че „Основното допускане на тъканното инженерство е, че използването на естествени биологични системи ще позволи по-голям успех в разработването на терапевтични методи, насочени към заместване, възстановяване, поддържане и/или разширяване на функцията на тъканта.“

Клетките могат да бъдат получени от течни тъкани като кръв по различни начини, обикновено чрез центрофугиране. По-трудно е да се извлекат клетки от твърди тъкани. Обикновено тъканта се смила и след това се смила с ензими трипсин или колагеназа, за да се отстрани извънклетъчната матрица, която съдържа клетките. След това клетките се оставят да се носят свободно и се отстраняват като от течни тъкани. Скоростта на реакцията с трипсин е много зависима от температурата и високите температури причиняват големи щети на клетките. Колагеназата изисква ниски температури и следователно по-малко загуба на клетки, но реакцията отнема повече време и самата колагеназа е скъп реагент. Клетките често се имплантират в изкуствени структури, способни да поддържат образуването на триизмерна тъкан. Тези конструкции се наричат скеле.

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 от съществено значение за насърчаване на клетъчното засяване и дифузия в цялата структура, както клетки, така и хранителни вещества. Биоразградимостта често е важен фактор, тъй като скелетата се абсорбират в околните тъкани без необходимост от хирургично отстраняване. Скоростта, с която се извършва разграждането, трябва да съответства възможно най-близо на скоростта на образуване на тъкан: това означава, че докато произведените клетки ще създадат своя собствена естествена матрична структура около тях, те вече са в състояние да поддържат структурната цялост в тялото и в крайна сметка в крайна сметка скелето ще бъде счупено, оставяйки новообразувана тъкан, която ще поеме механичното натоварване.

Изследвани са различни материали за скеле (естествени и синтетични, биоразградими и постоянни). Повечето от тези материали са били известни в областта на медицината още преди тъканното инженерство като изследователска тема и вече са били използвани, например, в хирургията със зашиване. За да се разработят скелета с идеални свойства (биосъвместимост, неимуногенност, прозрачност и др.), за тях са проектирани нови материали.

Скелето може да бъде изградено и от естествени материали: по-специално са изследвани различни производни на извънклетъчната матрица и тяхната способност да поддържат клетъчния растеж. Протеинови материали като колаген или фибрин и полизахариди като хитозан или гликозаминогликан (GAG) са подходящи по отношение на съвместимостта, но някои въпроси все още остават открити. Функционалните групи от скелета могат да бъдат полезни при доставянето на малки молекули (лекарства) до специфични тъкани.

въглеродни нанотръби

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

Както е известно, фулеренът (C60) е открит от групата на Smalley, Kroto и Curl през 1985 г., за което през 1996 г. тези изследователи са удостоени с Нобелова награда за химия. Що се отнася до въглеродните нанотръби, тук не може да се посочи точната дата на тяхното откриване. Въпреки че е общоизвестно, че Iijima е наблюдавал структурата на многостенни нанотръби през 1991 г., има по-ранни доказателства за откриването на въглеродни нанотръби. Така например през 1974-1975г. Ендо и др., публикуваха редица статии, описващи тънки тръби с диаметър по-малък от 100 nm, получени по метода на кондензация на пара, но по-подробно изследване на структурата не беше извършено.

Група учени от Института по катализа на Сибирския клон на Академията на науките на СССР през 1977 г., изследвайки под микроскоп карбонизацията на желязо-хромови катализатори за дехидрогениране, регистрира образуването на "кухи въглеродни дендрити", докато механизъм на беше предложена формация и беше описана структурата на стените. През 1992 г. в Nature е публикувана статия, в която се посочва, че нанотръбите са наблюдавани през 1953 г. Година по-рано, през 1952 г., в статия на съветските учени Радушкевич и Лукянович се съобщава за електронно микроскопско наблюдение на влакна с диаметър около 100 nm, получени чрез термична разлагане на въглеродния оксид върху железен катализатор. Тези проучвания също не бяха продължени.

Има много теоретични разработки за предсказването на тази алотропна форма на въглерод. В работата си химикът Джоунс (Дедал) спекулира за навити тръби от графит. В работата на Л. А. Чернозатонски и друг, публикувана през същата година като работата на Иджима, са получени и описани въглеродни нанотръби, а М. Ю. Корнилов не само предсказва съществуването на едностенни въглеродни нанотръби през 1986 г., но също така предлага голямата им еластичност.

Структура на нанотръбите

Идеалната нанотръба е графитна равнина, навита в цилиндър, тоест повърхност, облицована с правилни шестоъгълници, на върховете на които са разположени въглеродни атоми. Резултатът от такава операция зависи от ъгъла на ориентация на графитната равнина по отношение на оста на нанотръбата. Ъгълът на ориентация от своя страна определя хиралността на нанотръбата, което определя по-специално нейните електрически характеристики.

Фиг. 1. Сгъване на графитна равнина за получаване на (n, m) нанотръба

За да се получи нанотръба с хиралност (n, m), графитната равнина трябва да се нареже по посоките на пунктираните линии и да се търкаля по посоката на вектора R

Подредена двойка (n, m), указваща координатите на шестоъгълника, който в резултат на сгъването на равнината трябва да съвпадне с шестоъгълника, разположен в началото на координатите, се нарича хиралност на нанотръбата и се обозначава. Друг начин за обозначаване на хиралност е да се посочи ъгълът α между посоката на сгъване на нанотръбата и посоката, в която съседните шестоъгълници имат обща страна. В този случай обаче за пълно описание на геометрията на нанотръбата е необходимо да се посочи нейният диаметър. Индексите на хиралност на еднослойна нанотръба (m, n) еднозначно определят нейния диаметър D. Тази зависимост има следната форма:

където d 0 = 0,142 nm е разстоянието между съседни въглеродни атоми в равнината на графита.

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

Сред различните възможни посоки на сгъване на нанотръби се разграничават тези, за които подравняването на (n, m) шестоъгълника с произхода не изисква изкривяване на неговата структура. Тези посоки съответстват по-специално на ъглите α = 0 (конфигурация на фотьойл) и α = 30° (конфигурация на зигзаг). Тези конфигурации съответстват съответно на хиралностите (n, 0) и (2m, m).

Едностенни нанотръби

Експериментално наблюдаваната структура на едностенни нанотръби 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, далеч не е идеална полусфера. Особено място сред едностенните нанотръби заемат т. нар. кресло нанотръби или нанотръби с хиралност [10, 10]. В нанотръби от този тип, две от С–С връзките, които изграждат всеки шестчленен пръстен, са ориентирани успоредно на надлъжната ос на тръбата. Нанотръбите с такава структура трябва да имат чисто метална структура.

Многостенни нанотръби

Многостенните нанотръби се различават от едностенните нанотръби с много по-голямо разнообразие от форми и конфигурации. Разнообразието от структури се проявява както в надлъжна, така и в напречна посока. Конструкцията от типа "Руски кукли" е набор от коаксиално вложени цилиндрични тръби. Друг тип от тази структура е набор от вложени коаксиални призми. И накрая, последната от тези структури прилича на свитък (свитък). Всички структури се характеризират със стойност на разстоянието между съседни графитни слоеве, което е близко до стойността от 0,34 nm, която е присъща на разстоянието между съседни равнини на кристален графит.

Реализирането на една или друга структура от многостенни нанотръби в конкретна експериментална ситуация зависи от условията на синтез. Анализът на наличните експериментални данни показва, че най-типичната структура на многостенните нанотръби е структура с последователно разположени по дължина секции от типа „руски кукли за гнездене“ и „папие-маше“. В този случай "тръбите" с по-малък размер са последователно вложени в по-големите тръби.

Получаване на въглеродни нанотръби

Развитието на методите за синтез на въглеродни нанотръби (CNTs) следва пътя на понижаване на температурите на синтеза. След създаването на технологията за производство на фулерени е установено, че при електродъговото изпаряване на графитни електроди, наред с образуването на фулерени се образуват разширени цилиндрични структури. Микроскопистът Sumio Iijima, използвайки трансмисионен електронен микроскоп (TEM), беше първият, който идентифицира тези структури като нанотръби. Високотемпературните методи за производство на CNT включват метода на електрическата дъга. Ако графитена пръчка (анод) се изпари в електрическа дъга, тогава върху противоположния електрод (катод) се образува твърдо въглеродно натрупване (отлагание), в чието меко ядро има многостенни CNTs с диаметър 15– 20 nm и дължина над 1 μm. Образуването на CNTs от фулеренови сажди при високотемпературно топлинно въздействие върху саждите е наблюдавано за първи път от групата от Оксфорд и Швейцария. Инсталацията за електродъгов синтез е металоемка, енергоемка, но универсална за получаване на различни видове въглеродни наноматериали. В този случай съществен проблем е неравновесието на процеса по време на изгаряне на дъгата. Електродъговият метод навремето замени метода на лазерно изпаряване (аблация) с лазерен лъч. Устройството за аблация е конвенционална резистивна нагревателна пещ, която дава температура от 1200C. За да се получат по-високи температури в него, е достатъчно да се постави въглеродна мишена в пещта и да се насочи лазерен лъч към нея, като последователно се сканира цялата повърхност на мишената.

Така групата на Смолей, използвайки скъпо оборудване с лазер с къси импулси, получи нанотръби през 1995 г., "значително опростявайки" технологията на техния синтез. Въпреки това, добивът на CNT остава нисък. Въвеждането на малки добавки от никел и кобалт в графита направи възможно увеличаването на добива на CNT до 70–90%. От този момент започва нов етап в концепцията за механизма на образуване на нанотръби. Стана очевидно, че металът е катализатор на растежа. По този начин се появиха първите работи за производството на нанотръби чрез нискотемпературен метод - методът на каталитична пиролиза на въглеводороди (CVD), където като катализатор се използват частици от метал от желязна група. Една от възможностите за инсталация за производство на нанотръби и нановлакна по метода CVD е реактор, в който се подава инертен газ-носител, който пренася катализатора и въглеводорода във високотемпературната зона. Опростено, механизмът на растеж на CNT е както следва. Въглеродът, образуван по време на термичното разлагане на въглеводорода, се разтваря в металната наночастица.

При достигане на висока концентрация на въглерод в частицата върху една от страните на частицата-катализатор се получава енергийно благоприятна "изолация" на излишния въглерод под формата на изкривена полуфулеренова шапка. Ето как се ражда нанотръба. Разграденият въглерод продължава да навлиза в частицата на катализатора и за да се освободи излишъкът от неговата концентрация в стопилката, той трябва постоянно да се изхвърля. Издигащата се полусфера (полуфулерен) от повърхността на стопилката носи със себе си разтворения излишен въглерод, чиито атоми извън стопилката образуват C–C връзка, която е цилиндрична рамка-нанотръба. Температурата 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 около 10 nm са в разтопено състояние под 600C. В момента се извършва нискотемпературен синтез на CNT по метода на каталитична пиролиза на ацетилен в присъствието на Fe частици при 550C. Намаляването на температурата на синтез също има отрицателни последици. При по-ниски температури се получават CNTs с голям диаметър (около 100 nm) и силно дефектна "бамбукова" структура или вложени наноконуси. Получените материали се състоят само от въглерод, но те дори не се доближават до изключителните характеристики (например модула на Йънг), наблюдавани в едностенни въглеродни нанотръби, получени чрез лазерна аблация или електродъгов синтез.

1. Въведение

1.1 Предистория

1.2 Клетъчна екстракция

2. Скеле

2.1 Материали за скеле

2.2 Въглеродни нанотръби

2.2.1 История на откритията

2.2.2 Структура на нанотръби

2.2.3 Едностенни нанотръби

2.2.4 Многостенни нанотръби

2.2.5 Получаване на въглеродни нанотръби

3. Препратки

1. Въведение

Тъканите изискват определени механични и структурни свойства, за да функционират правилно. Терминът "тъканно инженерство" също се отнася до коригиране на изпълнението на специфични биохимични функции с помощта 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 в регенеративната медицина се набляга повече на използването на стволови клетки за производство на тъкани.

тъканно инженерство на клетъчни нанотръби

1.1 Предварителна информация

1.2 Минен клетки

Клетките могат да бъдат получени от течни тъкани, като кръв, по различни начини, обикновено чрез центрофугиране. По-трудно е да се извлекат клетки от твърди тъкани. Обикновено тъканта се смила и след това се смила с ензими трипсин или колагеназа, за да се отстрани извънклетъчната матрица, която съдържа клетките. След това клетките се оставят да се носят свободно и се отстраняват като от течни тъкани. Скоростта на реакцията с трипсин е много зависима от температурата и високите температури причиняват големи щети на клетките. Колагеназата изисква ниски температури и следователно по-малко загуба на клетки, но реакцията отнема повече време и самата колагеназа е скъп реагент.

2. Скеле

Клетките често се имплантират в изкуствени структури, способни да поддържат образуването на триизмерна тъкан. Тези конструкции се наричат скеле.

2.1 материали за скеле

За да се разработят скелета с идеални свойства (биосъвместимост, неимуногенност, прозрачност и др.), за тях са проектирани нови материали.

2.2 въглеродни нанотръби

2.2.1 История на откритията

Както е известно, фулеренът (C 60) е открит от групата на Смоли, Крото и Кърл през 1985 г., за което тези изследователи са удостоени с Нобелова награда за химия през 1996 г. Що се отнася до въглеродните нанотръби, тук не може да се посочи точната дата на тяхното откриване. Въпреки че е общоизвестно, че Iijima е наблюдавал структурата на многостенни нанотръби през 1991 г., има по-ранни доказателства за откриването на въглеродни нанотръби. Така например през 1974-1975г. Ендо и др., публикуваха редица статии, описващи тънки тръби с диаметър по-малък от 100 nm, получени по метода на кондензация на пара, но по-подробно изследване на структурата не беше извършено. Група учени от Института по катализа на Сибирския клон на Академията на науките на СССР през 1977 г., изследвайки под микроскоп карбонизацията на желязо-хромови катализатори за дехидрогениране, регистрира образуването на "кухи въглеродни дендрити", докато механизъм на беше предложена формация и беше описана структурата на стените. През 1992 г. в Nature е публикувана статия, в която се посочва, че нанотръбите са наблюдавани през 1953 г. Година по-рано, през 1952 г., в статия на съветските учени Радушкевич и Лукянович се съобщава за електронно микроскопско наблюдение на влакна с диаметър около 100 nm, получени чрез термична разлагане на въглеродния оксид върху железен катализатор. Тези проучвания също не бяха продължени.

2.2.2 Структура на нанотръби

Публикувано на http://www.website/

На свой ред задава хиралността на нанотръбата, която определя по-специално нейните електрически характеристики.

Друг начин за обозначаване на хиралността е да се посочи ъгълът 6 между посоката на сгъване на нанотръбата и посоката, в която съседните шестоъгълници имат обща страна. В този случай обаче за пълно описание на геометрията на нанотръбата е необходимо да се посочи нейният диаметър. Индексите на хиралност на еднослойна нанотръба (m, n) еднозначно определят нейния диаметър D. Тази зависимост има следната форма:

където d 0 = 0,142 nm е разстоянието между съседни въглеродни атоми в равнината на графита.

Връзката между индексите на хиралност (m, n) и ъгъла b се дава от връзката

Сред различните възможни посоки на сгъване на нанотръби се разграничават тези, за които подравняването на (n, m) шестоъгълника с произхода не изисква изкривяване на неговата структура. Тези посоки съответстват по-специално на ъглите b = 0 (конфигурация на фотьойл) и b = 30° (конфигурация на зигзаг). Тези конфигурации съответстват съответно на хиралностите (n, 0) и (2m, m).

2.2.3 Едностенни нанотръби

Структураедностенни 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, далеч не е идеална полусфера.

Особено място сред едностенните нанотръби заемат т. нар. кресло нанотръби или нанотръби с хиралност [10, 10]. В нанотръбите от този тип две от C-C връзките, които изграждат всеки шестчленен пръстен, са ориентирани успоредно на надлъжната ос на тръбата. Нанотръбите с такава структура трябва да имат чисто метална структура.

2.2.4 Многостенни нанотръби

Многостенни(многостенните) нанотръби се различават от едностенните по много по-голямо разнообразие от форми и конфигурации. Разнообразието от структури се проявява както в надлъжна, така и в напречна посока.

Конструкцията от типа "Руски кукли" е набор от коаксиално вложени цилиндрични тръби. Друг тип от тази структура е набор от вложени коаксиални призми. И накрая, последната от тези структури прилича на свитък (свитък). Всички структури се характеризират със стойност на разстоянието между съседни графитни слоеве, което е близко до стойността от 0,34 nm, която е присъща на разстоянието между съседни равнини на кристален графит.

2.2.5 Получаване на въглеродни нанотръби

развитиеМетодите за синтез на въглеродни нанотръби (CNT) следват пътя на понижаване на температурите на синтез. След създаването на технологията за производство на фулерени е установено, че при електродъговото изпаряване на графитни електроди, наред с образуването на фулерени се образуват разширени цилиндрични структури. Микроскопистът Sumio Iijima, използвайки трансмисионен електронен микроскоп (TEM), беше първият, който идентифицира тези структури като нанотръби. Високотемпературните методи за производство на CNT включват метода на електрическата дъга. Ако графитена пръчка (анод) се изпари в електрическа дъга, тогава върху противоположния електрод (катод) се образува твърдо въглеродно натрупване (отлагание), в чието меко ядро има многостенни CNTs с диаметър 15– 20 nm и дължина над 1 μm. Образуването на CNTs от фулеренови сажди при високотемпературно топлинно въздействие върху саждите е наблюдавано за първи път от групата от Оксфорд и Швейцария. Инсталацията за електродъгов синтез е металоемка, енергоемка, но универсална за получаване на различни видове въглеродни наноматериали. В този случай съществен проблем е неравновесието на процеса по време на изгаряне на дъгата. Електродъговият метод навремето замени метода на лазерно изпаряване (аблация) с лазерен лъч. Устройството за аблация е конвенционална резистивна нагревателна пещ, която дава температура от 1200C. За да се получат по-високи температури в него, е достатъчно да се постави въглеродна мишена в пещта и да се насочи лазерен лъч към нея, като последователно се сканира цялата повърхност на мишената.

Че. Групата на Смоли, използвайки скъпо оборудване с лазер с къс импулс, получи нанотръби през 1995 г., "значително опростявайки" технологията на техния синтез. Въпреки това, добивът на CNT остава нисък. Въвеждането на малки добавки от никел и кобалт в графита направи възможно увеличаването на добива на CNT до 70–90%. От този момент започва нов етап в концепцията за механизма на образуване на нанотръби. Стана очевидно, че металът е катализатор на растежа. По този начин се появиха първите работи за производството на нанотръби чрез нискотемпературен метод - методът на каталитична пиролиза на въглеводороди (CVD), където като катализатор се използват частици от метал от желязна група. Една от възможностите за инсталация за производство на нанотръби и нановлакна по метода CVD е реактор, в който се подава инертен газ-носител, който пренася катализатора и въглеводорода във високотемпературната зона. Опростено, механизмът на растеж на CNT е както следва. Въглеродът, образуван по време на термичното разлагане на въглеводорода, се разтваря в металната наночастица.

При достигане на висока концентрация на въглерод в частицата върху една от страните на частицата-катализатор се получава енергийно благоприятна "изолация" на излишния въглерод под формата на изкривена полуфулеренова шапка. Ето как се ражда нанотръба. Разграденият въглерод продължава да навлиза в частицата на катализатора и за да се освободи излишъкът от неговата концентрация в стопилката, той трябва постоянно да се изхвърля. Издигащата се полусфера (полуфулерен) от повърхността на стопилката носи със себе си разтворения излишен въглерод, чиито атоми извън стопилката образуват С-С връзка, която е цилиндрична рамка-нанотръба. Температурата 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 около 10 nm са в разтопено състояние под 600C. В момента се извършва нискотемпературен синтез на CNT по метода на каталитична пиролиза на ацетилен в присъствието на Fe частици при 550C. Намаляването на температурата на синтез също има отрицателни последици. При по-ниски температури се получават CNTs с голям диаметър (около 100 nm) и силно дефектна "бамбукова" структура или вложени наноконуси. Получените материали се състоят само от въглерод, но те дори не се доближават до изключителните характеристики (например модула на Йънг), наблюдавани в едностенни въглеродни нанотръби, получени чрез лазерна аблация или електродъгов синтез.

3. Библиография

Langer, Vacanti JP (май 1993 г.). „Тъканно инженерство”. Наука 260 (5110): 920 6. DOI: 10.1126/science.8493529. PMID 8493529.

B MacArthur BD, Oreffo RO (януари 2005 г.). „Преодоляване на пропастта“. Nature 433 (7021): 19. DOI: 10.1038/433019a. PMID 15635390.

Подобни документи

Концепцията и същността на биотехнологията, историята на нейното възникване. Основните направления и методи на биотехнологията. Генно и клетъчно инженерство. "Три вълни" в създаването на генетично модифицирани растения. трансгенни животни. Методи за имобилизация на ензими и клетки.

резюме, добавено на 01/11/2013

Клетъчното инженерство като набор от методи, използвани за конструиране на нови клетки, историята на неговото развитие. Методи за изолиране на протопласти. Описание на методите за култивиране на протопласти: метод на течни капки и посяване. соматична хибридизация.

презентация, добавена на 28.02.2014 г

презентация, добавена на 21.02.2014 г

Изкуствената фотосинтеза като нов източник на енергия. Изкуствена фотосинтеза в суперкомпютър. Подобряване на фотосинтезата чрез нанотехнологии. Осигуряване на суперреколта чрез ускоряване на процеса на фотосинтеза. Включване на въглеродни нанотръби в хлоропласти.

презентация, добавена на 11.11.2014 г

Химическият състав на клетките, функциите на вътреклетъчните структури, функциите на клетките в тялото на животните и растенията, размножаването и развитието на клетките, адаптирането на клетките към условията на околната среда. Разпоредби на клетъчната теория според М. Шлейден и Т. Шван.

презентация, добавена на 17.12.2013 г

Промишлена употреба на биологични процеси, базирани на микроорганизми, клетъчни култури, тъкани и техните части. Историята на възникването и етапите на формиране на биотехнологията. Основни направления, задачи и методи: клониране, генно и клетъчно инженерство.

презентация, добавена на 22.10.2016 г

Появата на молекулярната биотехнология. История на проблема с биологичния код. Политика за генна терапия на соматични клетки. Натрупване на дефектни гени в бъдещите поколения. Генна терапия за зародишни клетки. Генетиката и проблемът на човека.

резюме, добавено на 25.09.2014 г

резюме, добавено на 23.01.2010 г

Основни методи на биотехнологията. Възпроизвеждане на организми със свойства, представляващи интерес за хората, чрез метода на клетъчна култура. Характеристики на прилагането на методите на генното инженерство. Перспективи за метода на клониране. Технически трудности при прилагане на методите.

презентация, добавена на 12/04/2013

Основните функции на бокалните клетки като клетки на епитела на чревната лигавица и други органи на гръбначни животни и хора. Формата на клетките и характеристиките на тяхната локализация. Тайната на бокалната клетка. Участие на бокалните клетки в секрецията на слуз.

В бъдеще, както казват писателите на научна фантастика, за да излекувате болестта, просто трябва да отидете в аптека, която прилича на склад с резервни части. И изберете правилния рафт. Тук резервни очи, тук черен дроб, бъбреци, а в тази кутия ръце и крака с различни размери Холивудските визионери не изостават от сценаристите, те също наливат масло в огъня на тази тема: ефектно растящите нови ръце и крака на супергероите са впечатляващи. Но в живота, разбира се, всичко е много по-прозаично, отколкото на екрана. Въпреки че вече има някои предпоставки човек да „изпробва“ биоизкуствени органи в близко бъдеще.

Тъканното инженерство е бързо развиващ се клон на медицината и биологията буквално вдъхва живот на фантазията. Специалисти в тази област, изучаващи структурата на живите тъкани, се опитват да ги отгледат в лаборатория, за да използват изкуствено създадената тъкан за трансплантация. Подобно "производство" ще отвори много сериозни перспективи. Човек трябва само да помисли за това: болен (ранен, осакатен) човек ще може бързо да се възстанови, той ще получи неизчерпаем източник за замяна на увредените органи. В края на краищата съвременният темп на урбанизация и развитието на техническите средства, колкото и да е странно, излагат жителите на Земята на все по-големи опасности и болести, всякакви наранявания при различни бедствия, така че задачата на тъканните инженери е наистина широка, за да расте кости, хрущяли и органи за заместване на увредените.

Както всички клонове на медицината, тъканното инженерство има своя собствена терминология и методологични подходи. Всяка процедура на "тъканно инженерство" започва с получаване на първоначалния клетъчен материал - първата стъпка. По правило за това се извършва биопсия, т.е. клетки от желания тип се вземат от пациент, нуждаещ се от биоизкуствена тъкан. Не всички клетки обаче могат да се размножават достатъчно интензивно в изкуствена среда. Следователно, друг подход е да се изберат недиференцирани прогениторни клетки, така наречените стволови клетки, които ще узреят и ще се специализират още в лабораторията. Това определя връзката на тъканното инженерство с изследванията на стволови клетки. Тези две области на биомедицинските изследвания обаче не трябва да се отъждествяват - тъканните инженери работят по своите проекти много преди терминът "стволови клетки" да стане познат на широката публика.

Втората стъпка е култивиране на получените клетки в лабораторни условия (ин витро) с цел многократно увеличаване на броя им. В този случай, в случай на използване на недиференцирани (стволови) клетки, те се поставят в специална среда, която индуцира трансформацията им в клетки от строго определен тип. За да разберем колко трудно е това, достатъчно е да кажем, че в тялото има повече от 200 разновидности на клетките. За постигане на желания резултат култивирането се извършва в специални биореактори. Те не само симулират състава на газовата смес и набора от вещества в хранителната среда, но и поддържат физическите параметри, необходими за развитието на клетките и тъканите - осветеност, поток или пулсация на течност, гравитация и др.

Но за да се отгледа жива тъкан, не е достатъчно само да се получат достатъчно правилни клетки, необходимо е те да бъдат правилно организирани в пространството. Следователно следващата стъпка е формирането на триизмерен носител на скеле за желаната тъкан, върху който те да се развиват нормално и да изпълняват функциите си след трансплантацията в тялото.

Накрая, в резултат на всички тези сложни манипулации, се появява готов биоизкуствен тъканен еквивалент на присадка, а след това последният етап е нейното имплантиране в тялото на пациента (присаждане). Използването на собствените клетки на пациента за направата на присадка е основен принцип на тъканното инженерство. Приемайки автоклетки, лекарите избягват имунологични проблеми с отхвърлянето на трансплантирания материал, поради което шансовете за успешен резултат от операцията се увеличават драстично.

В началото на тъканното инженерство
С изключение на създаването на Ева от реброто на Адам, култивирането на клетки и тъкани започва в края на 19 век. През 1885 г. немският ембриолог Вилхелм Ру успява да поддържа жизнеспособността на фрагмент от пилешки ембрион при изкуствени условия в продължение на няколко дни. Истински успех в култивирането на тъкани извън тялото обаче е постигнат едва след експериментите на Р. Харисън през 1907 г.: той предлага използването на съсирена кръв или лимфа като среда за развитие на тъкани в лабораторни стъклени съдове in vitro.

Този метод дойде в Русия през 1913 г., когато служител на Императорската военномедицинска академия П.П. Авроров и колегата му А.Д. Тимофеевски успя да отгледа левкемични кръвни клетки за известно време. Година по-късно от този проблем се заинтересува великият руски хистолог Александър Александрович Максимов, професор в същата академия, който не само потвърждава с този метод единната теория за хемопоезата, тоест доказва, че всички кръвни клетки се развиват от общ предшественик, стволовата клетка, но също така постави основата за по-нататъшно развитие в областта на тъканната култура извън тялото. Въз основа на неговите резултати са проведени стотици изследвания за култивиране на съединителна тъкан и кръвни клетки, създаване на тъканно-инженерни еквиваленти на костна тъкан. Неговият приоритет в тези изследвания е световно признат.

Истинската ера на тъканното инженерство и всъщност отделянето му като самостоятелен клон на медицината започва с дръзката работа на C. Vacanti за комбиниране на живи клетки и изкуствени носители за тях в лабораторията, която той предприе през 80-те години на миналия век. . Днес може би не е останал нито един човешки орган, чието развитие и регенерация тъканните инженери не биха се опитали да „укротят“.

Основа от плат

Изборът на носител за разработване на изкуствена тъкан е един от най-сериозните проблеми в тъканното инженерство. Неговият материал трябва да е безопасен както за клетките, които ще живеят върху него, така и за тялото като цяло, където след това ще бъде трансплантирана биоизкуствената тъкан. В идеалния случай материалът е напълно заменен от телесна тъкан с течение на времето. В същото време тя трябва да има уникална триизмерна организация, характерна за този тип тъкан, която да възпроизвежда структурата на извънклетъчния матрикс на живата тъкан. Например, за да се пресъздадат кухи тръбести органи, се използват части от подобни органи (черва, трахея, уретери и пикочен мехур), лишени от жизнеспособни клетки, получени от големи животни. Но като такива носители могат да се използват и други, най-разнообразни и понякога доста неочаквани материали.

Най-лесният начин (ако, разбира се, тук е уместно да говорим за простота) беше да се създадат биоизкуствени кости. Като източници на клетки за бъдещи кости се използват стромални стволови клетки от костен мозък, които могат да се развият в клетки от различни тъкани, както и остеогенни (способни да образуват костна тъкан) клетки от различен произход. Истинско поле за фантазия се предоставя при избора на носач за тях. Използват се различни видове колаген, стъклокерамични материали, дори корали. Добра основа са безжизнените (трупни) кости на хора и животни, както и сложни синтетични структури, които се разтварят в тялото за определен период от време. В последния случай основният проблем е синхронизирането на процеса на остеогенеза, т.е. образуването на костна тъкан в областта на нейния дефицит и разпадането на въведената изкуствена структура. Към днешна дата са извършени няколко хиляди хирургични интервенции по целия свят, като се използват тъканно инженерни еквиваленти на костна тъкан.

Клетъчната и тъканна реконструкция на ставния хрущял е много търсена на пазара на медицински услуги. Хрущялът е специална тъкан, която не се регенерира при естествени условия. Според някои експертни оценки пазарът на тези продукти само в САЩ може да бъде стотици милиони долари годишно.

Тъканните инженери не пренебрегнаха кожата, най-големият орган в човешкото тяло. Общата площ на кожата на възрастен мъж достига 2,5 m 2 с тегло 1520 kg (включително подкожната тъкан). Кожата е доста сложна и изпълнява редица жизненоважни функции, поради което при нейното обширно увреждане, освен локални нарушения, могат да се наблюдават и общи патологични прояви, понякога застрашаващи живота на пациента. При тежки изгаряния и дълготрайни незаздравяващи язви кожата не е в състояние сама да възстанови целостта си. На помощ идват специалисти, които вече имат не само лабораторни прототипи, но и търговски образци на биоизкуствена кожа. Към днешна дата хиляди хора по света вече са използвали услугите на компании, предлагащи подобни тъканни препарати на пазара на медицински услуги.

Но най-фантастичните резултати са постигнати от тъканните инженери в детската практика. Растящият организъм предявява специални изисквания към създаването на тъканно инженерни структури, тъй като те трябва да растат заедно с тялото на детето. И така, наскоро германски учени създадоха тъканно инженерна сърдечна клапа. Сърдечната клапа на възрастно прасе е взета като основа за клетките на съдовата стена (ендотел). И кръвните клетки от пъпната връв на детето станаха източник на клетъчен материал. Между другото, доскоро кръвта от пъпната връв се изхвърляше по време на раждане заедно с плацентата, но сега все повече доказателства сочат, че запазването на тези клетки в хемабанки в определени случаи може да даде шанс за спасяване на живота на човек.

изкуствена челюст
Не толкова отдавна група немски специалисти от град Кил, ръководени от Патрик Варнке, съобщиха за успешната реконструкция на долната челюст, която беше почти напълно отстранена поради туморна лезия. Първоначално лекарите трябваше да създадат титаниева челюстна рамка, която беше пълна с костна матрица, костен мозък на пациента и фактори на костен растеж. Въпреки това, такъв голям фрагмент не може да бъде поставен незабавно в областта на увреждането, тъй като клетките на костния мозък, включително стволовите клетки, лишени от собствена съдова мрежа, не само не биха се диференцирали в остеобласти (клетки, които произвеждат костна тъкан), но но също така биха умрели от кислороден глад и липса на хранителни вещества. Следователно полученият дизайн беше въведен в мускулите на гърба. Това беше направено така, че в дебелината на мускулите, интензивно кръвоснабдени, самите съдове да растат в дебелината на "биологичната протеза". Когато това се случи, конструкцията беше отстранена и трансплантирана на правилното място, като преди това бяха свързани по микрохирургичен път съдовете на долната челюст и биопротезата.

Всяка година се извършват все повече такива или подобни операции. Те позволяват не само да се възстанови функцията на изгубения орган, но и да се осигури естетически козметичен ефект.

Съдови тъкани!

Един от факторите, ограничаващи въображението на тъканните инженери, е невъзможността за създаване на относително големи структури поради липсата на адекватно кръвоснабдяване и инервация (връзка с централната нервна система). Тъканно инженерните структури, извадени от изкуствената среда, са изложени на риск от смърт поради факта, че нямат кръвоносни съдове и в тялото на пациента няма да бъдат адекватно снабдени с хранителни вещества. Частично този проблем може да бъде решен чрез предварително изработване на временно поставяне на тъканно инженерна структура, създадена в лабораторията под кожата или между мускулите. След известно време, когато съдовете растат през целия обем на присадката, тя се изолира със запазване на съдовете и се прехвърля в зоната на увреждане. Този подход обаче е свързан с причиняване на допълнителна хирургична травма на пациента, така че тъканните инженери са намерили гениално решение: биоизкуствени тъкани биоизкуствени съдове! Първите работи бяха извършени с полимерни микротубули, облицовани отвътре с ендотел. Такива тръби проникват в цялата дебелина на тъканта, създадена в лабораторията. Постепенно полимерът се разтваря и не пречи на обмена на газове и хранителни вещества между кръвта и клетките.

Днес почти нищо не ограничава възможностите на тъканните инженери. Създадени са не само лабораторни прототипи, но и тъканно инженерни еквиваленти на зърната на млечната жлеза, биоизкуствения пикочен мехур и уретерите са приложени в клиничната практика. Определят се методически подходи за създаване на бели дробове, черен дроб, трахея, чревни отдели и дори кавернозни тела на пениса.

Изграждането на паренхимните органи на черния дроб, белите дробове и други е особено трудно, тъй като всички клетки в тях са в деликатна връзка и трябва стриктно да заемат правилното си място в триизмерното пространство. Неочаквани положителни резултати тук се появяват, когато клетките се отглеждат в суспензия без прикрепване към повърхността. Екип от изследователи, ръководен от професор Колин Макгъкин от университета в Нюкасъл, Обединеното кралство, използва ротационен биореактор, проектиран преди 10 години специално за Международната космическа станция. Тя ви позволява да симулирате условията на безтегловност и микрогравитация на Земята. Оказа се, че когато в него се култивират стволови клетки от кръв от пъпна връв, е възможно да се постигне не само превръщането им във функционално активни чернодробни клетки, но и органогенеза, образуването на аналог на чернодробна тъкан с присъщите й функции.

Не по-малко изненадващи резултати са получени при експерименти за насищане на клетъчни култури с метални наночастици с помощта на липозоми, които свободно проникват през клетъчната мембрана. Наличието на такива структури вътре в клетката практически няма ефект върху нея. Но учените получават възможност да контролират растежа на клетките, като въздействат върху тях с различни посоки магнитни полета. По този начин беше възможно да се създадат не само аналози на структурите на черния дроб, но и такива сложни структури като елементи на ретината. Развитието на окото за тъканно инженерство е все още в много ранен етап, но вече е възможно да се получат еквиваленти на отделните му части - роговица, склера и ирис. Вярно е, че проблемът с интегрирането на получените части все още не е решен. Въпреки това в научната литература може да се намери информация за трансплантацията на светлочувствителни клетки на пръчици и колбички в "светая светих" на окото - ретината, но засега само при експериментални условия.

Може би, за да се почувстват най-накрая всемогъщи, тъканните инженери трябва само да се научат как да пресъздадат сложни производни на нервните зачатъци в лабораторията.

Във водещи западни и местни лаборатории специалисти се опитват да възпроизведат развитието на друг изключително труден за възстановяване орган - зъба. Трудностите при създаването му са причинени от факта, че компонентите на зъба се развиват от различни източници: отчасти от производните на нервната система - нервния гребен, и отчасти от епителната обвивка на устната кухина. Дълго време не беше възможно да се комбинират тези източници in vitro. Към днешна дата само ранните етапи на развитие на зъбите са частично възпроизведени при изкуствени условия. По правило не може да се мине без помощта на тялото и след етапа на лабораторната работа прототипът на бъдещия зъб все още трябва да бъде засаден в естествената му среда - алвеолата на челюстта (гнездото на зъба) - за пълно "узряване" на структурата на тъканното инженерство.

В резултат на това можем да кажем, че последните двадесет години бяха белязани от появата на нов клон на биологията и медицината - тъканното инженерство. Специалистите, работещи в тази област, притежават наистина уникални качества. Те трябва да бъдат еднакво лекари и биолози, както и да притежават уменията на хирург. Такива сега не се приготвят никъде, поне у нас. По правило тъканните инженери са ентусиасти, които са си поставили за цел да превърнат приказка от детството в реалност. Засега универсалният човешки проблем, с който се занимават, далеч не е разрешен. Всяка година стотици хиляди хора по света умират от хронични заболявания, без да дочакат животоспасяваща трансплантация на донорен орган. Днес очевидно няма учени, които да отрекат, че тъканното инженерство е медицината на бъдещето, чиито успехи са от огромно значение за цялото човечество. Но в същото време е трудно да се намери такъв специалист, който безусловно да призове всички да се лекуват с помощта на методите на тъканното инженерство, има твърде много въпроси и нерешени проблеми пред тази много обещаваща област на знанието.

Свързани сайтове
www.celltranspl.ru Сайт "Клетъчни технологии в медицината". Тук се намира и електронното списание „Клетъчна трансплантация и тъканно инженерство”.

www.gemabank.ru Уебсайтът на банката за стволови клетки Gemabank е посветен на съхранението и използването на кръв от пъпна връв.

organprint.missouri.edu Сайт на научна група от Университета на Мисури, САЩ, посветен на изкуствените органи, отпечатан на специализиран принтер.

Функционално инженерство на костната тъкан: импулси и структури на скеле. Тъканен инженер Професионално важни качества

Изпратете добрата си работа в базата знания е лесно. Използвайте формата по-долу

Подобни документи

Клинични изследвания[ | ]

Вижте също [ | ]

Бележки [ | ]

Подобни документи

Основа от плат

Съдови тъкани!

Последен

Трябва да се знае