Funkcinė kaulinio audinio inžinerija: impulsai ir pastolių struktūros. Audinių inžinierius Profesiniu požiūriu svarbios savybės
Siųsti savo gerą darbą žinių bazėje yra paprasta. Naudokite žemiau esančią formą
Studentai, magistrantai, jaunieji mokslininkai, kurie naudojasi žinių baze savo studijose ir darbe, bus jums labai dėkingi.
Publikuotas http://www.allbest.ru/
Publikuotas http://www.allbest.ru/
Makeevskaya vidurinė mokykla I - III lygiai №72
tema: Audinių inžinerija medicinoje
Užbaigta:
Shujaulla Kamil
Įvadas
1.1 Pirminės ląstelės
1.2 Kamieninės ląstelės
3.2 3D biospausdinimas
4. Audinių auginimas
4.7 Kaulų čiulpai
5 Organų auginimas
5.1 Šlapimo pūslė
5.2 Trachėja
5.4 Kepenys
5.5 Širdis
5.6 Plaučiai
Išvada
Taikymas
Įvadas
Viena iš biotechnologijos krypčių, kuri užsiima biologinių audinių ir organų pakaitalų kūrimu, yra audinių inžinerija (TI).
Audinių inžinerija – tai naujų audinių ir organų kūrimas terapiniam pažeisto organo atstatymui, perduodant atramines struktūras, ląsteles, molekulinius ir mechaninius signalus į norimą regeneracijai skirtą sritį.
Šiuo metu audinių inžinerija pradedama taikyti klinikinėje praktikoje degeneracinių ligų ir apsigimimų gydymui; su nudegimais ir traumomis, vėlyvąja hidro- ir ureterohidronefroze, taip pat su dantų ir kosmetinėmis operacijomis.
Šiuolaikiniai biomedicinos, ypač audinių inžinerijos, pokyčiai; gali būti naudojamas gydymo efektyvumui pagerinti atkuriant prarastus funkciniu požiūriu reikšmingus audinius.
1. Ląstelės audinių inžinerijai
Svarbiausias sėkmės elementas – reikiamo skaičiaus funkciškai aktyvių ląstelių, gebančių diferencijuotis, išlaikyti atitinkamą fenotipą ir atlikti specifines biologines funkcijas, prieinamumas. Ląstelių šaltinis gali būti kūno audiniai ir vidaus organai. Galima naudoti atitinkamas ląsteles iš paciento, kuriam reikalinga rekonstrukcinė terapija, arba iš artimų giminaičių (autogeninių ląstelių). Gali būti naudojamos įvairios kilmės ląstelės, įskaitant pirmines ir kamienines ląsteles.
1.1 Pirminės ląstelės
Pirminės ląstelės yra subrendusios konkretaus audinio ląstelės, kurias galima paimti tiesiogiai iš donoro organizmo (ex vivo) chirurginiu būdu. Jei pirminės ląstelės yra paimtos iš tam tikro donoro organizmo, o vėliau šias ląsteles reikia implantuoti į jį kaip recipientą, implantuoto audinio atmetimo tikimybė atmetama, nes yra didžiausias galimas pirminių ląstelių imunologinis suderinamumas. ir gavėjas. Tačiau pirminės ląstelės, kaip taisyklė, nesugeba dalytis - jų dauginimosi ir augimo potencialas yra mažas.
Kultivuojant tokias ląsteles in vitro (taikant audinių inžineriją), kai kurių tipų ląstelėse galima dediferenciacija, tai yra specifinių, individualių savybių praradimas. Pavyzdžiui, chondrocitai, patekę į kultūrą už kūno ribų, dažnai gamina pluoštinę, o ne skaidrią kremzlę.
Kadangi pirminės ląstelės nesugeba dalytis ir gali prarasti savo specifines savybes, ląstelių inžinerijos technologijoms plėtoti reikia alternatyvių ląstelių šaltinių. Tokia alternatyva tapo kamieninės ląstelės.
1.2 Kamieninės ląstelės
Kamieninės ląstelės yra nediferencijuotos ląstelės, kurios, veikiamos specifinių biologinių dirgiklių, gali dalytis, savaime atsinaujinti ir diferencijuotis į įvairių tipų specializuotas ląsteles.
Kamieninės ląstelės skirstomos į „suaugusiųjų“ ir „embrionines“
„Suaugusiųjų“ kamieninių ląstelių šaltinis – virkštelės kraujas, surinktas gimus vaikui. Šiame kraujyje labai daug kamieninių ląstelių. Paėmus šį kraują iš vaiko virkštelės ir įdėjus į kriobanką (specialią saugyklą), vėliau kamieninėmis ląstelėmis galima atkurti beveik bet kokį šio individo audinį ir organą. Šias kamienines ląsteles taip pat galima naudoti kitiems pacientams gydyti, jei jos yra suderinamos su antigenais. Amerikiečių mokslininkai iš žmogaus placentos (ten jų yra 10 kartų daugiau nei virkštelės kraujyje) gavo kamienines ląsteles, kurios gali transformuotis į odos, kraujo, raumenų ir nervų ląsteles.
Kito tipo kamieninių ląstelių – vaisiaus (embriono) kamieninių ląstelių – šaltinis yra 9–12 nėštumo savaitės abortinė medžiaga. Šis šaltinis yra pats dažniausiai naudojamas. Tačiau, be etinių ir teisinių trinties, vaisiaus ląstelės kartais gali sukelti transplantato atmetimą. Be to, neištirtos abortinės medžiagos naudojimas yra kupinas paciento užsikrėtimo virusiniu hepatitu, AIDS, citomegalovirusu ir kt.
Norint nukreipti organizaciją, palaikyti ląstelių augimą ir diferenciaciją pažeisto audinio atkūrimo procese, reikalingas specialus ląstelių nešiklis - matrica, kuri yra trimatis tinklas, panašus į kempinę ar pemzą (papildomas 3 pav.) . Joms sukurti naudojamos biologiškai inertinės sintetinės medžiagos, natūralių polimerų pagrindu pagamintos medžiagos (chitozanas, alginatas, kolagenas) ir biokompozitai. Pavyzdžiui, kaulinio audinio ekvivalentai gaunami kryptingai diferencijuojant kaulų čiulpų, virkštelės kraujo ar riebalinio audinio kamienines ląsteles į osteoblastus, kurie vėliau naudojami įvairioms jų dalijimąsi palaikančioms medžiagoms (pavyzdžiui, donoro kaului, kolageno matricoms ir kt.).
2. Dirbtinių organų kūrimo etapai
Iki šiol viena iš audinių inžinerijos strategijų yra tokia:
1. Savos arba donorinės ląstelinės medžiagos parinkimas ir auginimas.
Ląstelinė medžiaga gali būti regeneruotos audinių ląstelės arba kamieninės ląstelės.
Pirmajame etape atrenkama sava arba donoro ląstelinė medžiaga (biopsija), išskiriamos ir kultivuojamos specifinės audinio ląstelės. Audinių inžinerijos struktūros arba transplantato sudėtis, be ląstelių kultūros, apima specialų nešiklį (matricą)
2. Specialaus ląstelių nešiklio (matricos) sukūrimas biologiškai suderinamų medžiagų pagrindu
Matricos gali būti gaminamos iš įvairių biologiškai suderinamų medžiagų. Skiepų matricoms sukurti naudojamos biologiškai inertiškos sintetinės medžiagos, natūralių polimerų (chitozano, alginato, kolageno) pagrindu pagamintos medžiagos, taip pat biokompozitinės medžiagos. Pavyzdžiui, kaulinio audinio ekvivalentai gaunami tikslingai diferencijuojant kaulų čiulpus, virkštelės kraują ar riebalinio audinio kamienines ląsteles. Gautos kultūros ląstelės uždedamos ant matricos. inžinerinis audinių organų auginimas
3. Ląstelių kultūros pritaikymas matricai ir ląstelių dauginimas bioreaktoriuje su specialiomis auginimo sąlygomis
Kur kultūra inkubuojama tam tikrą laiką. Pirmieji bioreaktoriai buvo sukurti dirbtiniam kepenų audiniui gaminti.
4. Tiesioginis transplantato įvedimas į pažeisto organo sritį arba preliminarus įdėjimas į vietą, gerai aprūpintą krauju, kad subrendtų ir susidarytų mikrocirkuliacija transplantato viduje (surengimas).
Biomedžiagos, naudojamos matricoms gauti, turi būti biologiškai inertiškos ir po skiepijimo (pernešimo į kūną) užtikrinti ant jų nusėdusios ląstelinės medžiagos lokalizaciją tam tikroje vietoje. Dauguma audinių inžinerijos biomedžiagų yra lengvai sunaikinamos (rezorbuojamos) organizme ir pakeičiamos savo audiniais. Tokiu atveju neturėtų susidaryti tarpinių produktų, kurie būtų toksiški, keistų audinio pH, sutrikdytų ląstelių kultūros augimą ir diferenciaciją. Nerezorbuojančios medžiagos beveik nenaudojamos, nes riboja regeneracinį aktyvumą, sukelia pernelyg didelį jungiamojo audinio susidarymą, išprovokuoja reakciją į svetimkūnį (kapsuliavimą)
Šiuo metu JAV, Rusijoje ir Italijoje plačiai naudojami gyvos odos ekvivalentai, kuriuose yra donoro ar savo odos ląstelių. Šios konstrukcijos pagerina didelių nudegimų paviršių gijimą. Transplantatų kūrimas taip pat vykdomas kardiologijoje (dirbtiniai širdies vožtuvai, didelių kraujagyslių ir kapiliarų tinklų rekonstrukcija); atkurti kvėpavimo organus (gerklą, trachėją ir bronchus), plonąją žarną, kepenis, šlapimo sistemos organus, endokrinines liaukas ir neuronus. Metalo nanodalelės audinių inžinerijoje yra naudojamos ląstelių augimui kontroliuoti, veikiant jas skirtingų krypčių magnetiniams laukams. Pavyzdžiui, tokiu būdu buvo galima sukurti ne tik kepenų struktūrų analogus, bet ir tokias sudėtingas struktūras kaip tinklainės elementai. Taip pat nanokompozitinės medžiagos, sukurtos taikant elektronų pluošto litografijos metodą (elektronų pluošto litografija, EBL), suteikia matricų paviršiaus šiurkštumą nanodalelių efektyviam kaulų implantų formavimui. Dirbtinių audinių ir organų sukūrimas leis atsisakyti daugumos donoro organų transplantacijos, pagerins pacientų gyvenimo kokybę ir išgyvenamumą.
3. Pagrindiniai audinių inžinerijos metodai
3.1 Natūralios organogenezės modeliavimas
Organogenezė – organų formavimosi procesas embriono vystymosi metu
Organogenezę lydi ląstelių, audinių diferenciacija, selektyvus ir netolygus atskirų organų ir kūno dalių augimas, tęsiasi lervoje ir baigiasi jaunystės periodu.
3.2 3D biospausdinimas
Perspektyvios audinių inžinerijos technologijos atvėrė galimybę laboratoriškai kurti gyvus audinius ir organus, tačiau mokslas vis dar yra bejėgis prieš kuriant sudėtingus organus. Tačiau palyginti neseniai mokslininkai, vadovaujami daktaro Gunterio Tovaro iš Fraunhoferio draugijos Vokietijoje, padarė didžiulį proveržį audinių inžinerijos srityje – sukūrė kraujagyslių kūrimo technologiją. Tačiau atrodė, kad dirbtinai sukurti kapiliarinių struktūrų neįmanoma, nes jos turi būti lanksčios, elastingos, mažos formos ir tuo pačiu sąveikauti su natūraliais audiniais. Kaip bebūtų keista, bet į pagalbą atėjo gamybos technologijos – greitojo prototipų kūrimo (kitaip tariant, 3D spausdinimo) metodas. Suprantama, kad trimačiu rašaliniu spausdintuvu naudojant specialų „rašalą“ atspausdinamas sudėtingas trimatis modelis (mūsų atveju – kraujagyslė). Spausdintuvas užtepa medžiagą sluoksniais, o tam tikrose vietose sluoksniai sujungiami chemiškai. Tačiau pastebime, kad mažiausiems kapiliarams trimačiai spausdintuvai dar nėra pakankamai tikslūs. Šiuo atžvilgiu buvo pritaikytas polimerų pramonėje naudojamas daugiafotoninės polimerizacijos metodas. Trumpi intensyvūs lazerio impulsai, apdorojantys medžiagą, taip stipriai sužadina molekules, kad jos sąveikauja viena su kita, susijungdamos ilgomis grandinėmis. Taip medžiaga polimerizuojasi ir tampa kieta, bet elastinga, kaip ir natūralios medžiagos. Šios reakcijos yra taip valdomos, kad jas galima panaudoti kuriant pačias smulkiausias struktūras pagal trimatį „brėžinį“.
O kad sukurtos kraujagyslės galėtų susijungti su organizmo ląstelėmis, gaminant indus į jas integruojamos modifikuotos biologinės struktūros (pavyzdžiui, heparinas) ir „inkariniai“ baltymai. Kitame etape endotelio ląstelės (vienas plokščių ląstelių sluoksnis, išklojantis vidinį kraujagyslių paviršių) fiksuojamos sukurtų „vamzdelių“ sistemoje, kad kraujo komponentai nepriliptų prie kraujagyslių sistemos sienelių, o būtų laisvai. vežamas per jį. Tačiau praeis šiek tiek laiko, kol laboratorijoje išauginti organai su savo kraujagyslėmis bus iš tikrųjų implantuoti.
Augantys organai ant donoro arba ksenologinės matricos, augantys organai ant dirbtinės matricos žr.3 p
4. Audinių auginimas
Paprastų audinių auginimas yra jau egzistuojanti ir praktikoje naudojama technologija.
Pažeistų odos vietų atstatymas jau yra klinikinės praktikos dalis. Kai kuriais atvejais naudojami metodai, kaip atkurti paties žmogaus odą, pavyzdžiui, nudegusio, naudojant specialiuosius efektus. Tai, pavyzdžiui, sukūrė R.R. Rakhmatullin bioplastinės medžiagos hiamatrix arba biokolis, kurį sukūrė komanda, vadovaujama B.K. Gavriliukas. Specialūs hidrogeliai taip pat naudojami odai auginti nudegimo vietoje.
Taip pat kuriami odos audinio fragmentų spausdinimo metodai naudojant specialius spausdintuvus. Tokias technologijas kuria, pavyzdžiui, Amerikos regeneracinės medicinos centrų AFIRM ir WFIRM kūrėjai.
Dr. Jorg Gerlach ir kolegos iš Pitsburgo universiteto Regeneracinės medicinos instituto išrado odos persodinimo įrenginį, kuris padės žmonėms greičiau išgyti nuo įvairaus sunkumo nudegimų. Skin Gun purškia tirpalą su savo kamieninėmis ląstelėmis ant pažeistos aukos odos. Šiuo metu naujas gydymo metodas yra eksperimentinėje stadijoje, tačiau rezultatai jau įspūdingi: sunkūs nudegimai užgyja vos per porą dienų.
Kolumbijos universiteto darbuotojų grupė, kuriai vadovauja Gordana Vunjak-Novakovic (Gordana Vunjak-Novakovic), iš kamieninių ląstelių, užsėtų ant rėmo, gavo kaulo fragmentą, panašų į smilkininio apatinio žandikaulio sąnario dalį.Izraelio kompanijos „Bonus Biogroup“ mokslininkai (įkūrėja ir vykdomoji direktorė) - Pai Meretsky, Shai Meretzki kuria metodus, kaip auginti žmogaus kaulą iš paciento riebalinio audinio, gauto riebalų nusiurbimo būdu. Taip užaugintas kaulas jau sėkmingai persodintas į žiurkės leteną.
Italų mokslininkai iš Udinės universiteto sugebėjo įrodyti, kad mezenchiminių kamieninių ląstelių populiacija, gauta iš vienos riebalinio audinio ląstelės in vitro, net ir nesant specifinės struktūrinės matricos ar substrato, gali būti diferencijuota į struktūrą, panašią į danties gemalą. .
Tokijo universitete mokslininkai iš pelių kamieninių ląstelių išaugino pilnaverčius dantis, kuriuose yra dantų kaulų ir jungiamųjų skaidulų, ir sėkmingai persodino juos į gyvūnų žandikaulius.
Kolumbijos universiteto medicinos centro (Kolumbijos universiteto medicinos centro) specialistams, vadovaujamiems Jeremy Mao (Jeremy Mao), pavyko atkurti triušių sąnarių kremzles.
Pirmiausia tyrėjai iš gyvūnų pašalino peties sąnario kremzlinį audinį, taip pat ir apatinį kaulinio audinio sluoksnį. Tada vietoj pašalintų audinių buvo dedami kolageno karkasai.
Tiems gyvūnams, kurių karkasuose buvo transformuojantis augimo faktorius – baltymas, kontroliuojantis ląstelių diferenciaciją ir augimą, žastikaulio kaulinis ir kremzlės audinys buvo iš naujo suformuotas, o judėjimas sąnaryje buvo visiškai atstatytas.
Amerikiečių mokslininkų grupei iš Teksaso universiteto Ostine pavyko sukurti kremzlės audinį, pasižymintį mechaninėmis savybėmis ir ekstraląstelinės matricos sudėtimi, kuri keičiasi įvairiose srityse.
1997 m. chirurgas Jay'us Vscanti iš Masačusetso bendrosios ligoninės Bostone sugebėjo užauginti žmogaus ausį ant pelės nugaros, naudodamas kremzlių ląsteles.
Johnso Hopkinso universiteto gydytojai vėžiu sergančiai 42 metų moteriai pašalino naviko pažeistą ausį ir dalį kaukolės kaulo. Naudodami kremzles iš krūtinės, odą ir kraujagysles iš kitų pacientės kūno dalių, jie užaugino ant jos rankos dirbtinę ausį ir persodino ją į reikiamą vietą.
Vusterio politechnikos instituto (JAV) mokslininkai sėkmingai pataisė didelę pelių raumenų audinio žaizdą, augindami ir implantuodami mikrofilamentus, sudarytus iš baltyminio polimero fibrino, padengto žmogaus raumenų ląstelių sluoksniu.
Izraelio mokslininkai iš Technion-Izraelio technologijos instituto tiria būtiną vaskuliarizacijos ir audinių organizavimo laipsnį in vitro, kad pagerintų audinių inžinerijos būdu sukurto vaskuliarizuoto raumenų implanto išgyvenimą ir integraciją recipiento kūne.
Mokslininkai iš Paryžiaus Pierre'o ir Marie Curie universiteto, vadovaujami Luco Douay, pirmą kartą pasaulyje sėkmingai išbandė dirbtinį kraują, išaugintą iš kamieninių ląstelių su savanoriais.
Kiekvienas eksperimento dalyvis gavo 10 milijardų raudonųjų kraujo kūnelių, o tai atitinka maždaug du mililitrus kraujo. Gautų ląstelių išgyvenamumas buvo panašus į įprastų eritrocitų išgyvenamumą.
4.7 Kaulų čiulpai
Mičigano universiteto chemijos inžinerijos laboratorijos mokslininkai, vadovaujami Nicholaso Kotovo, pirmą kartą sėkmingai sukūrė dirbtinius kaulų čiulpus, skirtus kraujo kūnelių gamybai in vitro. Su jo pagalba jau galima gauti kraujodaros kamieninių ląstelių ir B-limfocitų – imuninės sistemos ląstelių, gaminančių antikūnus.
5. Augantys sudėtingi organai
5.1 Šlapimo pūslė
Daktaras Anthony Atala ir jo kolegos iš Wake Forest universiteto JAV augina šlapimo pūsles iš pačių pacientų ląstelių ir persodina jas pacientams.
Jie atrinko keletą pacientų ir iš jų paėmė šlapimo pūslės biopsiją – raumenų skaidulų ir urotelio ląstelių mėginius. Šios ląstelės dauginosi nuo septynių iki aštuonių savaičių Petri lėkštelėse ant burbulo formos pagrindo. Tada taip užauginti organai buvo įsiūti į ligonių kūnus.
Keletą metų pacientų stebėjimas parodė, kad organai veikė gerai, be neigiamo senesnio gydymo poveikio.
Tiesą sakant, tai pirmas kartas, kai pakankamai sudėtingas organas, o ne paprasti audiniai, tokie kaip oda ir kaulai, buvo dirbtinai išaugintas in vitro ir persodintas į žmogaus kūną. Ši komanda taip pat kuria metodus, kaip auginti kitus audinius ir organus.
5.2 Trachėja
Ispanijos chirurgai pirmą kartą pasaulyje persodino trachėją, išaugintą iš pacientės, 30-metės Claudios Castillo, kamieninių ląstelių.
Organas buvo išaugintas Bristolio universitete naudojant donorinį kolageno skaidulų karkasą.
Operaciją atliko Barselonos ligoninės klinikos profesorius Paolo Macchiarini.
Profesorius Macchiarini aktyviai bendradarbiauja su Rusijos mokslininkais, todėl Rusijoje buvo galima atlikti pirmąsias išaugusios trachėjos persodinimo operacijas.
2002 m. „Advanced Cell Technology“ pranešė, kad jie sėkmingai išaugino visą inkstą iš vienos ląstelės, paimtos iš karvės ausies, naudodami klonavimo technologiją, kad gautų kamienines ląsteles.
Naudojant specialią medžiagą, kamieninės ląstelės buvo paverstos inkstų ląstelėmis.
Audinys buvo auginamas ant pastolių, pagamintų iš savaime ardančios medžiagos, sukurtos Harvardo medicinos mokykloje ir suformuotos kaip paprastas inkstas. Gauti apie 5 cm ilgio inkstai buvo implantuoti karvei šalia pagrindinių organų.
Dėl to dirbtinis inkstas sėkmingai pradėjo gaminti šlapimą.
5.4 Kepenys
Amerikiečių ekspertai iš Masačusetso bendrosios ligoninės (Massachusetts General Hospital), vadovaujami Korkut Yugun (Korkut Uygun), sėkmingai persodino kelias žiurkes su kepenimis, išaugintomis laboratorijoje iš jų pačių ląstelių.
Mokslininkai išėmė penkių laboratorinių žiurkių kepenis, išvalė jas nuo šeimininkų ląstelių, taip gaudami organų jungiamojo audinio karkasus.
Tada mokslininkai į kiekvieną iš penkių pastolių suleido maždaug 50 milijonų žiurkių recipientų kepenų ląstelių. Per dvi savaites ant kiekvieno iš ląstelių apgyvendintų pastolių susidarė visiškai funkcionuojančios kepenys.
Tada laboratorijoje išauginti organai buvo sėkmingai persodinti penkioms žiurkėms.
5.5 Širdis
Didžiosios Britanijos ligoninės „Heafield“ mokslininkai, vadovaujami Megdi Yakub, pirmą kartą istorijoje išaugino dalį širdies, naudodami kamienines ląsteles kaip „statybinę medžiagą“. Gydytojai išaugino audinį, kuris veikia lygiai taip pat, kaip širdies vožtuvai, atsakingi už kraujotaką žmogaus kūne. Rostoko universiteto (Vokietija) mokslininkai panaudojo lazeriu sukeltą pirmyn perdavimo (LIFT) ląstelių spausdinimo technologiją, kad padarytų „lopą“, skirtą širdies regeneracijai.
5.6 Plaučiai
Amerikiečių mokslininkai iš Jeilio universiteto (Yale University), vadovaujami Laura Niklason (Laura Niklason), užaugo laboratoriniuose plaučiuose (ant donoro ekstraląstelinės matricos). Matrica buvo užpildyta plaučių epitelio ląstelėmis ir vidiniu kraujagyslių pamušalu, paimtu iš kitų asmenų. Auginant bioreaktoriuje, mokslininkai sugebėjo išauginti naujus plaučius, kurie vėliau buvo persodinti kelioms žiurkėms. Organas normaliai funkcionavo skirtingiems asmenims nuo 45 minučių iki dviejų valandų po transplantacijos. Tačiau po to plaučių kraujagyslėse pradėjo formuotis kraujo krešuliai. Be to, mokslininkai užfiksavo nedidelio kraujo kiekio nutekėjimą į organo spindį. Tačiau pirmą kartą mokslininkai sugebėjo įrodyti regeneracinės medicinos galimybes plaučių transplantacijai.
Išvada
Ląstelių (audinių) inžinerija – tai biotechnologijos šaka, kurioje naudojami metodai ląstelėms iš organizmo išskirti, transformuoti ir auginti maistinėse terpėse.
Viena iš ląstelių inžinerijos sričių – kamieninių ląstelių panaudojimas pažeistiems audiniams ir organams atkurti. Laboratorinėmis sąlygomis galimas kamieninių ląstelių dauginimasis ir tolesnė specializacija. Tai atveria galimybes dirbtinai auginti žmonių ir gyvūnų audinius ir kai kuriuos organus, siekiant vėliau juos įterpti į organizmus.
Kita ląstelių inžinerijos sritis yra organizmų klonavimas. Klonas (iš graik. Clone – šaka, palikuonys) – ląstelių arba individų rinkinys, gautas iš bendro protėvio nelytiniu būdu; Kloną sudaro genetiškai vienalytės ląstelės arba organizmai. Augaluose natūralus klonavimas yra plačiai paplitęs dėl nelytinio, ypač vegetatyvinio, dauginimosi. Mokslininkai taip pat gauna dirbtinių augalų klonų.
Taikymas
Priglobta Allbest.ru
Panašūs dokumentai
Genų inžinerija: atsiradimo istorija, bendrosios charakteristikos, privalumai ir trūkumai. Susipažinimas su naujausiais genų inžinerijos metodais, jų panaudojimu medicinoje. Genų inžinerijos plėtra gyvulininkystės ir paukštininkystės srityje. Eksperimentai su žiurkėmis.
Kursinis darbas, pridėtas 2012-11-07
Biotechnologijų atsiradimas. Pagrindinės biotechnologijų kryptys. Bioenergija kaip biotechnologijų šaka. Praktiniai biotechnologijų pasiekimai. Genų inžinerijos istorija. Genų inžinerijos tikslai, metodai ir fermentai. Pasiekimai genų inžinerijos srityje.
santrauka, pridėta 2008-07-23
Genų inžinerijos, kaip biotechnologinės priemonės, skirtos gyvų organizmų paveldimumui kontroliuoti, naudojimas. Pagrindinių genų inžinerijos metodų ir pasiekimų medicinoje ir žemės ūkyje ypatumai, susiję pavojai ir perspektyvos.
ataskaita, pridėta 2011-10-05
Žmonių ir gyvūnų somatinių ląstelių kultivavimo dirbtinėse maistinėse terpėse metodai kaip būtina ląstelių inžinerijos plėtros sąlyga. Somatinės hibridizacijos etapai. Genetinės medžiagos perkėlimas. Transgeninių augalų kilmė.
santrauka, pridėta 2010-01-23
Genų inžinerijos samprata ir pagrindiniai metodai. DNR ekstrahavimo metodas DNR plazmidžių pavyzdžiu. Ribojimo-modifikavimo sistemos veikimo principai. Klonuotų genų perkėlimas ir aptikimas ląstelėse. Rekombinantinių DNR molekulių konstravimas ir įvedimas į ląsteles.
santrauka, pridėta 2010-01-23
Genetinės ir ląstelių inžinerijos esmė. Pagrindiniai augalų genetinės modifikacijos uždaviniai, jų naudojimo maiste kenksmingumo analizė. Augalų ir gyvūnų ląstelių hibridizacijos ypatybės. Vaistinių medžiagų gavimo naudojant genų inžineriją mechanizmas.
pristatymas, pridėtas 2014-01-26
Vienos rūšies genų ir DNR dalių persodinimas į kito organizmo ląsteles. Genų inžinerijos istorija. Požiūris į genetiškai modifikuotus organizmus pasaulyje. Naujos GM veislės. Ką genų inžinerija duoda žmonijai? Kokios yra genų inžinerijos perspektyvos.
pristatymas, pridėtas 2015-02-24
Genų inžinerijos istorija, tikslai ir pagrindai; bioetiniai aspektai. Genetinių ligų grupės, jų diagnostika ir gydymas. Genų inžinerijos taikymas medicinos praktikoje: genų vakcinos, genų terapija, vaistų gamyba.
santrauka, pridėta 2011-10-26
Gamtoje neegzistavusių ląstelių panaudojimas biotechnologiniuose procesuose. Genų inžinerijos užduočių esmė yra genų išskyrimas iš ląstelių, manipuliacijos jais, įvedimas į kitus organizmus. Genų inžinerijos istorija. Produktų su GMO problemos.
pristatymas, pridėtas 2014-02-21
Prielaidos genetikai atsirasti. Mutacijų teorijos pagrindas. Genetika kaip paveldimumo mokslas: pradiniai jo dėsniai ir raida. Genų inžinerija: tyrimo aspektai ir praktiniai rezultatai. Organų ir audinių klonavimas.
Audinių inžinerijos konstrukcijos naudojamos kuriant biologinius pakaitalus, siekiant atkurti arba pagerinti audinių funkcionavimą. Ląstelės, kaip konstrukcijos komponentas, gali būti gaunamos iš skirtingų šaltinių ir gali būti skirtinguose diferenciacijos etapuose nuo prastai diferencijuotų ląstelių iki labai diferencijuotų specializuotų ląstelių. Paruoštos matricos kolonizavimas ląstelėmis yra neatidėliotina šiuolaikinės biomedicinos problema. Tuo pačiu metu matricos paviršiaus savybės veikia ląstelių kolonizaciją, įskaitant ląstelių prisirišimą ir jų proliferaciją išilgai matricos.
Šiuo metu žinomi audinių inžinerijos konstrukcijų gavimo metodai naudoja ląstelių suspensijos paruošimą ir šios suspensijos fizinį panaudojimą biologiškai suderinamai medžiagai, laipsniškai nusodinant suspensijos kultūrą, suformuojant monosluoksnį ir ilgą laiką įdedant medžiagą į tirpalą. , pakanka ląstelių prasiskverbimui per visą medžiagos tūrį, taip pat naudojant 3D biospausdinimą. Siūlomi įvairūs metodai audinių inžinerijos būdu suformuotiems tuščiavidurių vidaus organų, tokių kaip šlaplė, šlapimo pūslė, tulžies latakas, trachėja, atitikmenys.
Klinikiniai tyrimai[ | ]
Audinių inžinerijos būdu sukurtos konstrukcijos, pagrįstos biologiškai suderinamomis medžiagomis, buvo tiriamos klinikiniuose tyrimuose su pacientais, sergančiais urologinėmis ir dermatologinėmis ligomis.
taip pat žr [ | ]
Pastabos [ | ]
- , Fox C. F. Audinių inžinerija: seminaro, vykusio Granlibakken mieste, Tahoe ežere, Kalifornijoje, 1988 m. vasario 26–29 d. – Alanas R. Lissas, 1988 m. – T. 107.
- Atala A., Kasper F. K., Mikos A. G. Sudėtingų audinių inžinerija // Mokslo transliacinė medicina. - 2012. - V. 4, Nr. 160. - S. 160rv12. - ISSN 1946-6234. - DOI:10.1126/scitranslmed.3004890.
- Vasyutinas I.A., Lundupas A.V., Vinarovas A.Z., Butnaru D.V., Kuznecovas S.L.Šlaplės rekonstrukcija naudojant audinių inžinerijos technologijas. (rusų kalba) // Rusijos medicinos mokslų akademijos biuletenis. - 2017. - T. 72, Nr.1. - 17–25 p. - ISSN 2414-3545. – DOI: 10.15690/vramn771.
- Baranovsky D.S., Lundup A.V., Parshin V.D. Funkcinio blakstienoto epitelio gavimas in vitro trachėjos audinių inžinerijai (rusų k.) // Rusijos medicinos mokslų akademijos biuletenis. - 2015. - T. 70, Nr.5. - 561–567 p. - ISSN 2414-3545. – DOI:10.15690/vramn.v70.i5.1442 .
- Lawrence'as B. J., Madihally S. V. Ląstelių kolonizacija skaidomose 3D poringose matricose // Ląstelių adhezija ir migracija. - 2008. - T. 2, Nr.1. - 9-16 p.
- Mironovas V. ir kt. Organų spausdinimas: kompiuterinė reaktyvinė 3D audinių inžinerija //TRENDS in Biotechnology. - 2003. - T. 21. - Nr. 4. - S. 157-161. doi:
Audinių inžinerija kažkada buvo priskirta biologinių medžiagų poskyriui, tačiau išaugo jos apimtis ir svarba, todėl ją galima vertinti kaip atskirą poskyrį. Kad audiniai tinkamai veiktų, reikia tam tikrų mechaninių ir struktūrinių savybių. Sąvoka „audinių inžinerija“ taip pat reiškia specifinių biocheminių funkcijų atlikimo koregavimą naudojant ląsteles dirbtinai sukurtoje paramos sistemoje (pavyzdžiui, dirbtinėje kasoje arba dirbtinėje kepenyse). Terminas „regeneracinė medicina“ dažnai vartojamas kaip audinių inžinerijos sinonimas, nors regeneracinėje medicinoje daugiau dėmesio skiriama kamieninių ląstelių naudojimui audiniams gaminti.
Paprastai audinių inžinerija, kaip teigė Langeris ir Vacanti, laikoma „tarpdisciplinine sritimi, kurioje inžinerijos ir biologijos principai taikomi kuriant biologinius pakaitalus, tai yra audinių ar viso organo funkcijos atkūrimas, išsaugojimas arba pagerinimas. “. Audinių inžinerija taip pat apibrėžiama kaip „audinių augimo principų supratimas ir jų taikymas gaminant funkcinius audinių pakaitalus klinikiniam naudojimui“. Išsamesniame aprašyme teigiama, kad „Pagrindinė audinių inžinerijos prielaida yra ta, kad natūralių biologinių sistemų naudojimas leis didinti sėkmę kuriant terapinius metodus, skirtus audinių funkcijoms pakeisti, taisyti, palaikyti ir (arba) išplėsti“.
Ląstelės gali būti gaunamos iš skystų audinių, tokių kaip kraujas, įvairiais būdais, paprastai centrifuguojant. Iš kietųjų audinių ląsteles išskirti sunkiau. Paprastai audinys sumalamas, o paskui virškinamas tripsinu arba kolagenaze, kad būtų pašalinta tarpląstelinė matrica, kurioje yra ląstelės. Po to ląstelėms leidžiama laisvai plūduriuoti, jos tarsi pašalinamos iš skystų audinių. Reakcijos greitis su tripsinu labai priklauso nuo temperatūros, o aukšta temperatūra daro didelę žalą ląstelėms. Kolagenazei reikalinga žema temperatūra, taigi ir mažesnis ląstelių praradimas, tačiau reakcija trunka ilgiau, o pati kolagenazė yra brangus reagentas. Ląstelės dažnai implantuojamos į dirbtines struktūras, galinčias palaikyti trimačio audinio formavimąsi. Šios konstrukcijos vadinamos pastoliais.
Norint pasiekti audinių rekonstrukcijos tikslą, pastoliai turi atitikti tam tikrus specifinius reikalavimus. Didelis poringumas ir apibrėžtas porų dydis, kurie yra būtini skatinant ląstelių sėjimą ir sklaidą visoje struktūroje, tiek ląstelėse, tiek maistinėse medžiagose. Biologinis skaidumas dažnai yra svarbus veiksnys, nes karkasai absorbuojami į aplinkinius audinius, jų nereikia chirurgiškai pašalinti. Skilimo greitis turėtų kuo labiau atitikti audinių formavimosi greitį: tai reiškia, kad nors pagamintos ląstelės aplink jas sukurs savo natūralią matricos struktūrą, jos jau gali išlaikyti struktūrinį vientisumą kūne ir galiausiai. ilgainiui pastoliai bus sulūžę ir liks naujai suformuotas audinys, kuris priims mechaninę apkrovą.
Buvo ištirtos įvairios pastolių medžiagos (natūralios ir sintetinės, biologiškai skaidžios ir nuolatinės). Dauguma šių medžiagų buvo žinomos medicinos srityje dar prieš audinių inžineriją kaip tyrimo temą ir jau buvo naudojamos, pavyzdžiui, siuvimo chirurgijoje. Siekiant sukurti pastolius, pasižyminčius idealiomis savybėmis (biologinis suderinamumas, neimunogeniškumas, skaidrumas ir kt.), jiems buvo sukurtos naujos medžiagos.
Pastoliai gali būti statomi ir iš natūralių medžiagų: visų pirma buvo tiriami įvairūs ekstraląstelinės matricos dariniai ir jų gebėjimas palaikyti ląstelių augimą. Baltyminės medžiagos, tokios kaip kolagenas ar fibrinas, ir polisacharidai, tokie kaip chitozanas arba glikozaminoglikanas (GAG), yra tinkami suderinamumo požiūriu, tačiau kai kurie klausimai vis dar lieka atviri. Funkcinės pastolių grupės gali būti naudingos tiekiant mažas molekules (vaistus) į konkrečius audinius.
anglies nanovamzdeliai
Anglies nanovamzdeliai yra pailgintos cilindrinės struktūros, kurių skersmuo nuo vieno iki kelių dešimčių nanometrų ir ilgis iki kelių centimetrų, susidedančios iš vienos ar daugiau šešiakampių grafito plokštumų, susuktų į vamzdelį ir dažniausiai baigiasi pusrutulio formos galvute, kuri gali būti laikoma pusė fullereno molekulės.
Kaip žinoma, fulereną (C60) 1985 metais atrado Smalley, Kroto ir Curl grupė, už tai 1996 metais šie tyrinėtojai buvo apdovanoti Nobelio chemijos premija. Kalbant apie anglies nanovamzdelius, čia negalima nurodyti tikslios jų atradimo datos. Nors visiems žinoma, kad Iijima 1991 m. stebėjo daugiasienių nanovamzdelių struktūrą, yra ir ankstesnių anglies nanovamzdelių atradimo įrodymų. Taigi, pavyzdžiui, 1974 - 1975 m. Endo ir kt. paskelbė nemažai darbų, kuriuose aprašomi ploni vamzdeliai, kurių skersmuo mažesnis nei 100 nm, paruošti garų kondensacijos metodu, tačiau išsamesnis struktūros tyrimas nebuvo atliktas.
SSRS mokslų akademijos Sibiro filialo Katalizės instituto mokslininkų grupė 1977 m., tirdama geležies-chromo dehidrogenavimo katalizatorių karbonizaciją mikroskopu, užregistravo „tuščiavidurių anglies dendritų“ susidarymą, o 1977 m. buvo pasiūlyta formacija ir aprašyta sienų struktūra. 1992 m. žurnale „Nature“ buvo paskelbtas straipsnis, kuriame teigiama, kad nanovamzdeliai buvo pastebėti 1953 m. Prieš metus, 1952 m., sovietų mokslininkų Raduškevičiaus ir Lukjanovičiaus straipsnyje buvo aprašyta apie 100 nm skersmens pluoštų, gautų termiškai, elektroniniu mikroskopiniu būdu. anglies oksido skilimas ant geležies katalizatoriaus. Šie tyrimai taip pat nebuvo tęsiami.
Yra daug teorinių darbų apie šios alotropinės anglies formos prognozavimą. Darbe chemikas Jonesas (Dedalus) spėliojo apie suvyniotus grafito vamzdžius. L. A. Chernozatonsky ir kitame darbe, paskelbtame tais pačiais metais kaip ir Iijimos darbas, buvo gauti ir aprašyti anglies nanovamzdeliai, o M. Yu. Kornilovas 1986 metais ne tik numatė vienasienių anglies nanovamzdelių egzistavimą, bet ir pasiūlė. didelis jų elastingumas.
Nanovamzdelių sandara
Idealus nanovamzdelis yra grafito plokštuma, susukta į cilindrą, tai yra paviršius, išklotas taisyklingais šešiakampiais, kurių viršūnėse yra anglies atomai. Tokios operacijos rezultatas priklauso nuo grafito plokštumos orientacijos kampo nanovamzdelio ašies atžvilgiu. Orientacijos kampas, savo ruožtu, lemia nanovamzdelio chiralumą, kuris lemia visų pirma jo elektrines charakteristikas.
1 pav. Grafito plokštumos lankstymas, norint gauti (n, m) nanovamzdelį
Norint gauti chiralumo (n, m) nanovamzdelį, grafito plokštuma turi būti perpjauta išilgai punktyrinių linijų kryptimis ir susukta vektoriaus R kryptimi.
Sutvarkyta pora (n, m), nurodanti šešiakampio koordinates, kuri dėl plokštumos sulankstymo turi sutapti su šešiakampiu, esančiu koordinačių pradžioje, vadinama nanovamzdelio chiralumu ir žymima. Kitas būdas nurodyti chiralumą yra nurodyti kampą α tarp nanovamzdelio lankstymo krypties ir krypties, kuria gretimi šešiakampiai turi bendrą pusę. Tačiau šiuo atveju norint išsamiai aprašyti nanovamzdelio geometriją, būtina nurodyti jo skersmenį. Vieno sluoksnio nanovamzdelio chiralumo indeksai (m, n) vienareikšmiškai lemia jo skersmenį D. Šis ryšys turi tokią formą:
čia d 0 = 0,142 nm – atstumas tarp gretimų anglies atomų grafito plokštumoje.
Ryšys tarp chiralumo indeksų (m, n) ir kampo α nustatomas taip:
Tarp įvairių galimų nanovamzdelių lankstymo krypčių išskiriamos tos, kurių (n, m) šešiakampio sulygiavimas su pradžia nereikalauja jo struktūros iškraipymo. Šios kryptys visų pirma atitinka kampus α = 0 (fotelio konfigūracija) ir α = 30° (zigzago konfigūracija). Šios konfigūracijos atitinka atitinkamai chiralumą (n, 0) ir (2m, m).
Vienos sienos nanovamzdeliai
Eksperimentiškai stebimų vienasienių nanovamzdelių struktūra daugeliu atžvilgių skiriasi nuo aukščiau pateikto idealizuoto paveikslo. Visų pirma, tai susiję su nanovamzdelio viršūnėmis, kurių forma, kaip matyti iš stebėjimų, toli gražu nėra idealus pusrutulis. Ypatingą vietą tarp vienasienių nanovamzdelių užima vadinamieji fotelio nanovamzdeliai arba nanovamzdeliai su chiralumu [10, 10]. Šio tipo nanovamzdiuose dvi C – C jungtys, sudarančios kiekvieną šešių narių žiedą, yra orientuotos lygiagrečiai išilginei vamzdelio ašiai. Tokios struktūros nanovamzdeliai turėtų turėti grynai metalinę struktūrą.
Daugiasieniai nanovamzdeliai
Daugiasieniai nanovamzdeliai skiriasi nuo vienasienių nanovamzdelių daug įvairesne formų ir konfigūracijų įvairove. Konstrukcijų įvairovė pasireiškia tiek išilgine, tiek skersine kryptimis. „Rusiškų lėlių“ tipo struktūra yra bendraašių cilindrinių vamzdelių rinkinys. Kitas šios struktūros tipas yra įdėtųjų bendraašių prizmių rinkinys. Galiausiai paskutinė iš šių struktūrų primena slinktį (slinktį). Visoms struktūroms būdingas atstumas tarp gretimų grafito sluoksnių, artimas 0,34 nm reikšmei, kuri būdinga atstumui tarp gretimų kristalinio grafito plokštumų.
Vienos ar kitos daugiasienės nanovamzdelių struktūros įgyvendinimas konkrečioje eksperimentinėje situacijoje priklauso nuo sintezės sąlygų. Turimų eksperimentinių duomenų analizė rodo, kad tipiškiausia daugiasienių nanovamzdelių struktūra yra struktūra, kurioje pakaitomis išilgai išdėstytos „rusiškų lizdinių lėlių“ ir „papier-maché“ tipų dalys. Šiuo atveju mažesnio dydžio „vamzdžiai“ iš eilės įdedami į didesnius vamzdelius.
Anglies nanovamzdelių gavimas
Kuriant anglies nanovamzdelių (CNT) sintezės metodus, buvo mažinamos sintezės temperatūros. Sukūrus fullerenų gamybos technologiją, buvo nustatyta, kad grafito elektrodų garinimo elektros lanku metu, kartu formuojantis fullerenams, formuojasi išplėstinės cilindrinės struktūros. Mikroskopininkas Sumio Iijima, naudodamas perdavimo elektronų mikroskopą (TEM), pirmasis šias struktūras identifikavo kaip nanovamzdelius. Aukštos temperatūros CNT gamybos metodai apima elektros lanko metodą. Jei grafito strypas (anodas) išgarinamas elektros lanku, tada ant priešingo elektrodo (katodo) susidaro kietos anglies sankaupos (nuosėdos), kurios minkštojoje šerdyje yra daugiasieniai CNT, kurių skersmuo 15– 20 nm, o ilgis didesnis nei 1 μm. CNT susidarymą iš fullereno suodžių, veikiant suodžiams aukštoje temperatūroje, pirmą kartą pastebėjo Oksfordo ir Šveicarijos grupė. Elektros lanko sintezės instaliacija yra daug metalo, daug energijos suvartojanti, tačiau universali įvairių tipų anglies nanomedžiagoms gauti. Šiuo atveju didelė problema yra proceso pusiausvyra deginant lanką. Elektrinio lanko metodas vienu metu pakeitė lazerio garinimo (abliacijos) metodą lazerio spinduliu. Abliacijos įrenginys yra įprastinė varžinio šildymo krosnis, kurios temperatūra yra 1200C. Norint jame gauti aukštesnę temperatūrą, pakanka į krosnį įdėti anglies taikinį ir nukreipti į jį lazerio spindulį, pakaitomis skenuojant visą taikinio paviršių.
Taip Smalley grupė, naudodama brangią įrangą su trumpo impulso lazeriu, 1995 metais gavo nanovamzdelius, „žymiai supaprastindama“ jų sintezės technologiją. Tačiau CNT derlius išliko mažas. Nedidelių nikelio ir kobalto priedų įvedimas į grafitą leido padidinti CNT išeigą iki 70–90%. Nuo to momento nanovamzdelių susidarymo mechanizmo koncepcijoje prasidėjo naujas etapas. Tapo akivaizdu, kad metalas yra augimo katalizatorius. Taip atsirado pirmieji darbai apie nanovamzdelių gamybą žemos temperatūros metodu – angliavandenilių katalizinės pirolizės (CVD) metodu, kai katalizatoriumi buvo naudojamos geležies grupės metalo dalelės. Vienas iš nanovamzdelių ir nanopluoštų gamybos CVD metodu įrengimo variantų yra reaktorius, į kurį tiekiamos inertinės nešančiosios dujos, pernešančios katalizatorių ir angliavandenilį į aukštos temperatūros zoną. Supaprastinta, CNT augimo mechanizmas yra toks. Angliavandenilio terminio skilimo metu susidariusi anglis ištirpsta metalo nanodalelėje.
Pasiekus didelę anglies koncentraciją dalelėje vienoje iš dalelių-katalizatoriaus paviršių, įvyksta energetiškai palanki anglies pertekliaus „izoliacija“ iškreipto pusiau fullereno dangtelio pavidalu. Taip gimsta nanovamzdelis. Suirusi anglis ir toliau patenka į katalizatoriaus dalelę, o norint išleisti jos koncentracijos perteklių iš lydalo, ją reikia nuolat šalinti. Kylantis pusrutulis (pusfullerenas) nuo lydalo paviršiaus su savimi neša ištirpusį anglies perteklių, kurio atomai už lydalo sudaro C-C ryšį, kuris yra cilindrinis karkasas-nanovamzdelis. Nano dydžio dalelės lydymosi temperatūra priklauso nuo jos spindulio. Kuo mažesnis spindulys, tuo žemesnė lydymosi temperatūra. Todėl geležies nanodalelės, kurių dydis yra apie 10 nm, yra išlydytos žemesnėje nei 600 ° C temperatūroje. Šiuo metu CNT sintezė žemoje temperatūroje vykdoma katalizinės acetileno pirolizės metodu, esant Fe dalelėms 550C temperatūroje. Sintezės temperatūros sumažinimas taip pat turi neigiamų pasekmių. Esant žemesnei temperatūrai, gaunami didelio skersmens (apie 100 nm) ir stipriai sugedusios „bambukinės“ struktūros CNT arba įkišti nanokonūnai. Gautas medžiagas sudaro tik anglis, tačiau jos net neprilygsta nepaprastoms charakteristikoms (pavyzdžiui, Youngo moduliui), kurios stebimos vienasieniuose anglies nanovamzdiuose, gautuose lazerio abliacijos arba elektros lanko sintezės būdu.
1. Įvadas
1.1 Fonas
1.2 Ląstelių ekstrahavimas
2. Pastoliai
2.1 Pastolių medžiagos
2.2 Anglies nanovamzdeliai
2.2.1 Atradimų istorija
2.2.2 Nanovamzdelio struktūra
2.2.3 Vienasieniai nanovamzdeliai
2.2.4 Daugiasieniai nanovamzdeliai
2.2.5 Anglies nanovamzdelių gavimas
3. Literatūra
1. Įvadas
Audinių inžinerija kažkada buvo priskirta biologinių medžiagų poskyriui, tačiau išaugo jos apimtis ir svarba, todėl ją galima vertinti kaip atskirą poskyrį.
Kad audiniai tinkamai veiktų, reikia tam tikrų mechaninių ir struktūrinių savybių. Sąvoka „audinių inžinerija“ taip pat reiškia specifinių biocheminių funkcijų atlikimo koregavimą naudojant ląsteles dirbtinai sukurtoje paramos sistemoje (pavyzdžiui, dirbtinėje kasoje arba dirbtinėje kepenyse). Terminas „regeneracinė medicina“ dažnai vartojamas kaip audinių inžinerijos sinonimas, nors regeneracinėje medicinoje daugiau dėmesio skiriama kamieninių ląstelių naudojimui audiniams gaminti.
ląstelių nanovamzdelių audinių inžinerija
1.1 Preliminari informacija
Paprastai audinių inžinerija, kaip teigė Langeris ir Vacanti, laikoma „tarpdisciplinine sritimi, kurioje inžinerijos ir biologijos principai taikomi kuriant biologinius pakaitalus, tai yra audinių ar viso organo funkcijos atkūrimas, išsaugojimas arba pagerinimas. “. Audinių inžinerija taip pat apibrėžiama kaip „audinių augimo principų supratimas ir jų taikymas gaminant funkcinius audinių pakaitalus klinikiniam naudojimui“. Išsamesniame aprašyme teigiama, kad „Pagrindinė audinių inžinerijos prielaida yra ta, kad natūralių biologinių sistemų naudojimas leis didinti sėkmę kuriant terapinius metodus, skirtus audinių funkcijoms pakeisti, taisyti, palaikyti ir (arba) išplėsti“.
1.2 Kasyba ląstelės
Ląstelės gali būti gaunamos iš skystų audinių, pavyzdžiui, kraujo, įvairiais būdais, dažniausiai centrifuguojant?. Iš kietųjų audinių ląsteles išskirti sunkiau. Paprastai audinys sumalamas, o paskui virškinamas tripsinu arba kolagenaze, kad būtų pašalinta tarpląstelinė matrica, kurioje yra ląstelės. Po to ląstelėms leidžiama laisvai plūduriuoti, jos tarsi pašalinamos iš skystų audinių. Reakcijos greitis su tripsinu labai priklauso nuo temperatūros, o aukšta temperatūra daro didelę žalą ląstelėms. Kolagenazei reikalinga žema temperatūra, taigi ir mažesnis ląstelių praradimas, tačiau reakcija trunka ilgiau, o pati kolagenazė yra brangus reagentas.
2. Pastoliai
Ląstelės dažnai implantuojamos į dirbtines struktūras, galinčias palaikyti trimačio audinio formavimąsi. Šios konstrukcijos vadinamos pastoliais.
2.1 medžiagų pastoliams
Norint pasiekti audinių rekonstrukcijos tikslą, pastoliai turi atitikti tam tikrus specifinius reikalavimus. Didelis poringumas ir apibrėžtas porų dydis, kurie yra būtini skatinant ląstelių sėjimą ir sklaidą visoje struktūroje, tiek ląstelėse, tiek maistinėse medžiagose. Biologinis skaidumas dažnai yra svarbus veiksnys, nes karkasai absorbuojami į aplinkinius audinius, jų nereikia chirurgiškai pašalinti. Skilimo greitis turėtų kuo labiau atitikti audinių formavimosi greitį: tai reiškia, kad nors pagamintos ląstelės aplink jas sukurs savo natūralią matricos struktūrą, jos jau gali išlaikyti struktūrinį vientisumą kūne ir galiausiai. ilgainiui pastoliai bus sulūžę ir liks naujai suformuotas audinys, kuris priims mechaninę apkrovą.
Buvo ištirtos įvairios pastolių medžiagos (natūralios ir sintetinės, biologiškai skaidžios ir nuolatinės). Dauguma šių medžiagų buvo žinomos medicinos srityje dar prieš audinių inžineriją kaip tyrimo temą ir jau buvo naudojamos, pavyzdžiui, siuvimo chirurgijoje.
Siekiant sukurti pastolius, pasižyminčius idealiomis savybėmis (biologinis suderinamumas, neimunogeniškumas, skaidrumas ir kt.), jiems buvo sukurtos naujos medžiagos.
Pastoliai gali būti statomi ir iš natūralių medžiagų: visų pirma buvo tiriami įvairūs ekstraląstelinės matricos dariniai ir jų gebėjimas palaikyti ląstelių augimą. Baltyminės medžiagos, tokios kaip kolagenas ar fibrinas, ir polisacharidai, tokie kaip chitozanas arba glikozaminoglikanas (GAG), yra tinkami suderinamumo požiūriu, tačiau kai kurie klausimai vis dar lieka atviri. Funkcinės pastolių grupės gali būti naudingos tiekiant mažas molekules (vaistus) į konkrečius audinius.
2.2 anglies nanovamzdeliai
Anglies nanovamzdeliai – tai pailgintos cilindrinės struktūros, kurių skersmuo nuo vieno iki kelių dešimčių nanometrų ir ilgis iki kelių centimetrų, susidedančios iš vienos ar kelių šešiakampių grafito plokštumų, susuktų į vamzdelį ir dažniausiai baigiasi pusrutulio formos galvute, kuri gali būti laikoma pusė fullereno molekulės.
2.2.1 Atradimų istorija
Kaip žinoma, fullenas (C 60) 1985 m. atrado Smalley, Kroto ir Curl grupė, už kurią šie tyrinėtojai 1996 m. buvo apdovanoti Nobelio chemijos premija. Kalbant apie anglies nanovamzdelius, čia negalima nurodyti tikslios jų atradimo datos. Nors visiems žinoma, kad Iijima 1991 m. stebėjo daugiasienių nanovamzdelių struktūrą, yra ir ankstesnių anglies nanovamzdelių atradimo įrodymų. Taigi, pavyzdžiui, 1974 - 1975 m. Endo ir kt. paskelbė nemažai darbų, kuriuose aprašomi ploni vamzdeliai, kurių skersmuo mažesnis nei 100 nm, paruošti garų kondensacijos metodu, tačiau išsamesnis struktūros tyrimas nebuvo atliktas. SSRS mokslų akademijos Sibiro filialo Katalizės instituto mokslininkų grupė 1977 m., tirdama geležies-chromo dehidrogenavimo katalizatorių karbonizaciją mikroskopu, užregistravo „tuščiavidurių anglies dendritų“ susidarymą, o 1977 m. buvo pasiūlyta formacija ir aprašyta sienų struktūra. 1992 m. žurnale „Nature“ buvo paskelbtas straipsnis, kuriame teigiama, kad nanovamzdeliai buvo pastebėti 1953 m. Prieš metus, 1952 m., sovietų mokslininkų Raduškevičiaus ir Lukjanovičiaus straipsnyje buvo aprašyta apie 100 nm skersmens pluoštų, gautų termiškai, elektroniniu mikroskopiniu būdu. anglies oksido skilimas ant geležies katalizatoriaus. Šie tyrimai taip pat nebuvo tęsiami.
Yra daug teorinių darbų apie šios alotropinės anglies formos prognozavimą. Darbe chemikas Jonesas (Dedalus) spėliojo apie suvyniotus grafito vamzdžius. L. A. Chernozatonsky ir kitame darbe, paskelbtame tais pačiais metais kaip ir Iijimos darbas, buvo gauti ir aprašyti anglies nanovamzdeliai, o M. Yu. Kornilovas 1986 metais ne tik numatė vienasienių anglies nanovamzdelių egzistavimą, bet ir pasiūlė. didelis jų elastingumas.
2.2.2 Nanovamzdelio struktūra
Paskelbta http://www.website/
Idealus nanovamzdelis yra grafito plokštuma, susukta į cilindrą, tai yra paviršius, išklotas taisyklingais šešiakampiais, kurių viršūnėse yra anglies atomai. Tokios operacijos rezultatas priklauso nuo grafito plokštumos orientacijos kampo nanovamzdelio ašies atžvilgiu. Orientacijos kampas, s
Savo ruožtu nustato nanovamzdelio chiralumą, kuris visų pirma lemia jo elektrines charakteristikas.
Sutvarkyta pora (n, m), nurodanti šešiakampio koordinates, kuri dėl plokštumos sulankstymo turi sutapti su šešiakampiu, esančiu koordinačių pradžioje, vadinama nanovamzdelio chiralumu ir žymima.
Kitas būdas nurodyti chiralumą yra nurodyti kampą 6 tarp nanovamzdelio lankstymo krypties ir krypties, kuria gretimi šešiakampiai turi bendrą pusę. Tačiau šiuo atveju norint išsamiai aprašyti nanovamzdelio geometriją, būtina nurodyti jo skersmenį. Vieno sluoksnio nanovamzdelio chiralumo indeksai (m, n) vienareikšmiškai lemia jo skersmenį D. Šis ryšys turi tokią formą:
čia d 0 = 0,142 nm – atstumas tarp gretimų anglies atomų grafito plokštumoje.
Ryšys tarp chiralumo indeksų (m, n) ir kampo b pateikiamas ryšiu
Tarp įvairių galimų nanovamzdelių lankstymo krypčių išskiriamos tos, kurių (n, m) šešiakampio sulygiavimas su pradžia nereikalauja jo struktūros iškraipymo. Šios kryptys visų pirma atitinka kampus b = 0 (fotelio konfigūracija) ir b = 30° (zigzago konfigūracija). Šios konfigūracijos atitinka atitinkamai chiralumą (n, 0) ir (2m, m).
2.2.3 Vienasieniai nanovamzdeliai
Struktūra Eksperimentiškai stebimi vienos sienelės nanovamzdeliai daugeliu atžvilgių skiriasi nuo aukščiau pateikto idealizuoto paveikslo. Visų pirma, tai susiję su nanovamzdelio viršūnėmis, kurių forma, kaip matyti iš stebėjimų, toli gražu nėra idealus pusrutulis.
Ypatingą vietą tarp vienasienių nanovamzdelių užima vadinamieji fotelio nanovamzdeliai arba nanovamzdeliai su chiralumu [10, 10]. Šio tipo nanovamzdiuose dvi C-C jungtys, sudarančios kiekvieną šešių narių žiedą, yra orientuotos lygiagrečiai išilginei vamzdelio ašiai. Tokios struktūros nanovamzdeliai turėtų turėti grynai metalinę struktūrą.
2.2.4 Daugiasieniai nanovamzdeliai
Daugiasienis(daugiasieniai) nanovamzdeliai nuo vienasienių skiriasi daug įvairesne formų ir konfigūracijų įvairove. Konstrukcijų įvairovė pasireiškia tiek išilgine, tiek skersine kryptimis.
„Rusiškų lėlių“ tipo struktūra yra bendraašių cilindrinių vamzdelių rinkinys. Kitas šios struktūros tipas yra įdėtųjų bendraašių prizmių rinkinys. Galiausiai paskutinė iš šių struktūrų primena slinktį (slinktį). Visoms struktūroms būdingas atstumas tarp gretimų grafito sluoksnių, artimas 0,34 nm reikšmei, kuri būdinga atstumui tarp gretimų kristalinio grafito plokštumų.
Vienos ar kitos daugiasienės nanovamzdelių struktūros įgyvendinimas konkrečioje eksperimentinėje situacijoje priklauso nuo sintezės sąlygų. Turimų eksperimentinių duomenų analizė rodo, kad tipiškiausia daugiasienių nanovamzdelių struktūra yra struktūra, kurioje pakaitomis išilgai išdėstytos „rusiškų lizdinių lėlių“ ir „papier-maché“ tipų dalys. Šiuo atveju mažesnio dydžio „vamzdžiai“ iš eilės įdedami į didesnius vamzdelius.
2.2.5 Anglies nanovamzdelių gavimas
Plėtra anglies nanovamzdelių (CNT) sintezės metodai sekė sintezės temperatūrų mažinimo keliu. Sukūrus fullerenų gamybos technologiją, buvo nustatyta, kad grafito elektrodų garinimo elektros lanku metu, kartu formuojantis fullerenams, formuojasi išplėstinės cilindrinės struktūros. Mikroskopininkas Sumio Iijima, naudodamas perdavimo elektronų mikroskopą (TEM), pirmasis šias struktūras identifikavo kaip nanovamzdelius. Aukštos temperatūros CNT gamybos metodai apima elektros lanko metodą. Jei grafito strypas (anodas) išgarinamas elektros lanku, tada ant priešingo elektrodo (katodo) susidaro kietos anglies sankaupos (nuosėdos), kurios minkštojoje šerdyje yra daugiasieniai CNT, kurių skersmuo 15– 20 nm, o ilgis didesnis nei 1 μm. CNT susidarymą iš fullereno suodžių, veikiant suodžiams aukštoje temperatūroje, pirmą kartą pastebėjo Oksfordo ir Šveicarijos grupė. Elektros lanko sintezės instaliacija yra daug metalo, daug energijos suvartojanti, tačiau universali įvairių tipų anglies nanomedžiagoms gauti. Šiuo atveju didelė problema yra proceso pusiausvyra deginant lanką. Elektrinio lanko metodas vienu metu pakeitė lazerio garinimo (abliacijos) metodą lazerio spinduliu. Abliacijos įrenginys yra įprastinė varžinio šildymo krosnis, kurios temperatūra yra 1200C. Norint jame gauti aukštesnę temperatūrą, pakanka į krosnį įdėti anglies taikinį ir nukreipti į jį lazerio spindulį, pakaitomis skenuojant visą taikinio paviršių.
Tai. Smalley grupė, naudodama brangią įrangą su trumpo impulso lazeriu, 1995 metais gavo nanovamzdelius, „žymiai supaprastindama“ jų sintezės technologiją. Tačiau CNT derlius išliko mažas. Nedidelių nikelio ir kobalto priedų įvedimas į grafitą leido padidinti CNT išeigą iki 70–90%. Nuo to momento nanovamzdelių susidarymo mechanizmo koncepcijoje prasidėjo naujas etapas. Tapo akivaizdu, kad metalas yra augimo katalizatorius. Taip atsirado pirmieji darbai apie nanovamzdelių gamybą žemos temperatūros metodu – angliavandenilių katalizinės pirolizės (CVD) metodu, kai katalizatoriumi buvo naudojamos geležies grupės metalo dalelės. Vienas iš nanovamzdelių ir nanopluoštų gamybos CVD metodu įrengimo variantų yra reaktorius, į kurį tiekiamos inertinės nešančiosios dujos, pernešančios katalizatorių ir angliavandenilį į aukštos temperatūros zoną. Supaprastinta, CNT augimo mechanizmas yra toks. Angliavandenilio terminio skilimo metu susidariusi anglis ištirpsta metalo nanodalelėje.
Pasiekus didelę anglies koncentraciją dalelėje vienoje iš dalelių-katalizatoriaus paviršių, įvyksta energetiškai palanki anglies pertekliaus „izoliacija“ iškreipto pusiau fullereno dangtelio pavidalu. Taip gimsta nanovamzdelis. Suirusi anglis ir toliau patenka į katalizatoriaus dalelę, o norint išleisti jos koncentracijos perteklių iš lydalo, ją reikia nuolat šalinti. Kylantis pusrutulis (pusiau fullerenas) nuo lydalo paviršiaus neša su savimi ištirpusią anglies perteklių, kurios atomai už lydalo sudaro C-C ryšį, kuris yra cilindrinis rėmas-nanovamzdelis. Nano dydžio dalelės lydymosi temperatūra priklauso nuo jos spindulio. Kuo mažesnis spindulys, tuo žemesnė lydymosi temperatūra. Todėl geležies nanodalelės, kurių dydis yra apie 10 nm, yra išlydytos žemesnėje nei 600 ° C temperatūroje. Šiuo metu CNT sintezė žemoje temperatūroje vykdoma katalizinės acetileno pirolizės metodu, esant Fe dalelėms 550C temperatūroje. Sintezės temperatūros sumažinimas taip pat turi neigiamų pasekmių. Esant žemesnei temperatūrai, gaunami didelio skersmens (apie 100 nm) ir stipriai sugedusios „bambukinės“ struktūros CNT arba įkišti nanokonūnai. Gautas medžiagas sudaro tik anglis, tačiau jos net neprilygsta nepaprastoms charakteristikoms (pavyzdžiui, Youngo moduliui), kurios stebimos vienasieniuose anglies nanovamzdiuose, gautuose lazerio abliacijos arba elektros lanko sintezės būdu.
3. Bibliografija
Langer, Vacanti JP (1993 m. gegužės mėn.). „Audinių inžinerija“. Nauka 260 (5110): 920 6. DOI: 10.1126/mokslas.8493529. PMID 8493529.
B MacArthur BD, Oreffo RO (2005 m. sausis). „Atotrūkio tiltas“. Nature 433 (7021): 19. DOI: 10.1038/433019a. PMID 15635390.
Panašūs dokumentai
Biotechnologijos samprata ir esmė, atsiradimo istorija. Pagrindinės biotechnologijų kryptys ir metodai. Genetinė ir ląstelių inžinerija. „Trys bangos“ kuriant genetiškai modifikuotus augalus. transgeniniai gyvūnai. Fermentų ir ląstelių imobilizacijos metodai.
santrauka, pridėta 2013-11-01
Ląstelių inžinerija kaip naujų ląstelių konstravimo metodų visuma, jos raidos istorija. Protoplastų išskyrimo metodai. Protoplastų auginimo būdų aprašymas: skysčių lašinimo ir dengimo būdas. somatinė hibridizacija.
pristatymas, pridėtas 2014-02-28
Gamtoje neegzistavusių ląstelių panaudojimas biotechnologiniuose procesuose. Genų inžinerijos užduočių esmė yra genų išskyrimas iš ląstelių, manipuliacijos jais, įvedimas į kitus organizmus. Genų inžinerijos istorija. Produktų su GMO problemos.
pristatymas, pridėtas 2014-02-21
Dirbtinė fotosintezė kaip naujas energijos šaltinis. Dirbtinė fotosintezė superkompiuteryje. Fotosintezės tobulinimas nanotechnologijomis. Superderliaus užtikrinimas pagreitinant fotosintezės procesą. Anglies nanovamzdelių įtraukimas į chloroplastus.
pristatymas, pridėtas 2014-11-11
Ląstelių cheminė sudėtis, tarpląstelinių struktūrų funkcijos, ląstelių funkcijos gyvūnų ir augalų organizme, ląstelių dauginimasis ir vystymasis, ląstelių prisitaikymas prie aplinkos sąlygų. Ląstelių teorijos nuostatos pagal M. Schleideną ir T. Schwanną.
pristatymas, pridėtas 2013-12-17
Pramoninis biologinių procesų panaudojimas, pagrįstas mikroorganizmais, ląstelių kultūromis, audiniais ir jų dalimis. Biotechnologijos atsiradimo istorija ir formavimosi etapai. Pagrindinės kryptys, uždaviniai ir metodai: klonavimas, genetinė ir ląstelių inžinerija.
pristatymas, pridėtas 2016-10-22
Molekulinės biotechnologijos atsiradimas. Biologinio kodo problemos istorija. Somatinių ląstelių genų terapijos politika. Defektuotų genų kaupimasis ateities kartose. Genų terapija lytinių ląstelių ląstelėms. Genetika ir žmogaus problema.
santrauka, pridėta 2014-09-25
Žmonių ir gyvūnų somatinių ląstelių kultivavimo dirbtinėse maistinėse terpėse metodai kaip būtina ląstelių inžinerijos plėtros sąlyga. Somatinės hibridizacijos etapai. Genetinės medžiagos perkėlimas. Transgeninių augalų kilmė.
santrauka, pridėta 2010-01-23
Pagrindiniai biotechnologijų metodai. Žmonėms įdomių savybių turinčių organizmų dauginimas naudojant ląstelių kultūros metodą. Genų inžinerijos metodų taikymo ypatumai. Klonavimo metodo perspektyvos. Techniniai sunkumai taikant metodus.
pristatymas, pridėtas 2013-12-04
Pagrindinės taurinių ląstelių, kaip žarnyno gleivinės epitelio ir kitų stuburinių bei žmonių organų, funkcijos. Ląstelių forma ir jų lokalizacijos ypatumai. Taurės ląstelės paslaptis. Taurės ląstelių dalyvavimas gleivių sekrecijoje.
Ateityje, kaip sako mokslinės fantastikos rašytojai, norint išgydyti ligą, tereikia nueiti į vaistinę, kuri atrodo kaip sandėlis su atsarginėmis dalimis. Ir pasirinkite tinkamą lentyną. Čia atsargos akys, čia kepenys, inkstai, o šioje dėžutėje nuo rašytojų neatsilieka įvairaus dydžio rankos ir kojos Holivudo vizionieriai, jie taip pat įpila žibalo į šios temos ugnį: įspūdingai augančios naujos superherojų rankos ir kojos. Tačiau gyvenime, žinoma, viskas daug proziškiau nei ekrane. Nors jau yra tam tikrų prielaidų, kad žmogus artimiausiu metu „pasimatytų“ biodirbtinius organus.
Audinių inžinerija yra sparčiai besivystanti medicinos šaka, o biologija tiesiogine prasme atgaivina fantaziją. Šios srities specialistai, tiriantys gyvų audinių sandarą, bando juos užsiauginti laboratorijoje, kad vėliau panaudotų dirbtinai sukurtą audinį transplantacijai. Tokia „gamyba“ atvers labai rimtas perspektyvas. Reikia tik pagalvoti: sergantis (sužeistas, suluošintas) žmogus galės greitai pasveikti, gaus neišsenkamą šaltinį pažeistiems organams pakeisti. Juk šiuolaikiniai urbanizacijos tempai ir techninių priemonių plėtra, kaip bebūtų keista, kelia Žemės gyventojams vis didesnius pavojus ir ligas, visokius sužalojimus įvairių nelaimių metu, tad audinių inžinierių užduotis yra išties plati. kaulai, kremzlės ir organai pakeisti pažeistus.
Kaip ir visos medicinos šakos, audinių inžinerija turi savo terminiją ir metodologinius požiūrius. Bet kokia „audinių inžinerijos“ procedūra prasideda nuo pradinės ląstelinės medžiagos gavimo – pirmo žingsnio. Paprastai tam atliekama biopsija, tai yra, iš paciento, kuriam reikia biodirbtinio audinio, paimamos norimo tipo ląstelės. Tačiau ne visos ląstelės gali pakankamai intensyviai daugintis dirbtinėje aplinkoje. Todėl kitas būdas – atrinkti nediferencijuotas progenitorines ląsteles, vadinamąsias kamienines ląsteles, kurios subręs ir specializuotis jau laboratorijoje. Tai lemia audinių inžinerijos ryšį su kamieninių ląstelių tyrimais. Tačiau šių dviejų biomedicininių tyrimų sferų nereikėtų tapatinti – audinių inžinieriai savo projektuose dirbo gerokai anksčiau, nei terminas „kamieninės ląstelės“ tapo žinomas plačiajai visuomenei.
Antras žingsnis – gautų ląstelių kultivavimas laboratorinėmis sąlygomis (in vitro), siekiant daug kartų padidinti jų skaičių. Šiuo atveju, naudojant nediferencijuotas (kamienines) ląsteles, jos patalpinamos į specialią aplinką, kuri skatina jų transformaciją į griežtai nurodyto tipo ląsteles. Norint suprasti, kaip tai sunku, pakanka pasakyti, kad organizme yra daugiau nei 200 ląstelių rūšių. Norint pasiekti norimą rezultatą, auginimas atliekamas specialiuose bioreaktoriuose. Jie ne tik imituoja dujų mišinio sudėtį ir medžiagų rinkinį maistinėje terpėje, bet ir palaiko fizinius parametrus, būtinus ląstelių ir audinių vystymuisi – apšvietimą, skysčio srautą ar pulsavimą, gravitaciją ir kt.
Tačiau norint auginti gyvus audinius, neužtenka tik gauti pakankamai tinkamų ląstelių, būtina, kad jos būtų tinkamai organizuotos erdvėje. Todėl sekantis žingsnis – trimačio karkaso nešiklio formavimas norimam audiniui, ant kurio jie galėtų normaliai vystytis ir atlikti savo funkcijas po transplantacijos į organizmą.
Galiausiai dėl visų šių sudėtingų manipuliacijų atsiranda paruoštas biodirbtinio audinio ekvivalentas, o tada paskutinis etapas – jo implantavimas į paciento kūną (skiepijimas). Pats paciento ląstelių naudojimas transplantacijai yra pagrindinis audinių inžinerijos principas. Vartodami autoląsteles, gydytojai išvengia imunologinių problemų ir persodintos medžiagos atmetimo, dėl to labai padidėja sėkmingo operacijos rezultato tikimybė.
Audinių inžinerijos ištakose
Išskyrus Ievos sukūrimą iš Adomo šonkaulio, ląstelės ir audiniai buvo pradėti auginti XIX amžiaus pabaigoje. 1885 metais vokiečių embriologas Wilhelmas Roux sugebėjo keletą dienų dirbtinėmis sąlygomis išlaikyti vištienos embriono fragmento gyvybingumą. Tačiau tikroji sėkmė kultivuojant audinius už kūno ribų buvo pasiekta tik po R. Harrisono eksperimentų 1907 m.: jis pasiūlė naudoti sukrešėjusį kraują ar limfą kaip terpę audinių vystymuisi laboratoriniuose stikliniuose induose in vitro.
Šis metodas atkeliavo į Rusiją 1913 m., kai Imperatoriškosios karo medicinos akademijos darbuotojas P.P. Avrorovas ir jo kolega A.D. Timofejevskis kurį laiką galėjo auginti leukemijos kraujo ląsteles. Po metų šia problema susidomėjo didysis rusų histologas, tos pačios akademijos profesorius Aleksandras Aleksandrovičius Maksimovas, kuris šiuo metodu ne tik patvirtino unitarinę hematopoezės teoriją, tai yra, įrodė, kad visos kraujo ląstelės vystosi iš bendras pirmtakas – kamieninė ląstelė, bet taip pat padėjo pagrindą tolesnei audinių kultūros plėtrai už kūno ribų. Remiantis jo rezultatais, buvo atlikta šimtai jungiamojo audinio ir kraujo ląstelių auginimo, kaulinio audinio audinių inžinerijos ekvivalentų kūrimo tyrimų. Jo prioritetas šiose studijose pripažįstamas visame pasaulyje.
Tikroji audinių inžinerijos era, o iš tikrųjų jos, kaip nepriklausomos medicinos šakos, atskyrimas prasidėjo nuo drąsaus C. Vacanti darbo sujungiant gyvas ląsteles ir dirbtinius jų nešiklius laboratorijoje, kurio jis ėmėsi praėjusio amžiaus devintajame dešimtmetyje. . Šiandien galbūt neliko nė vieno žmogaus organo, kurio vystymosi ir regeneracijos audinių inžinieriai nebandytų „prisijaukinti“.
Audinio pagrindas
Nešiklio pasirinkimas dirbtinio audinio kūrimui yra viena rimčiausių audinių inžinerijos problemų. Jo medžiaga turi būti saugi tiek ląstelėms, kurios gyvens ant jo, tiek visam kūnui, į kurį vėliau bus persodintas biodirbtinis audinys. Idealiu atveju medžiaga laikui bėgant visiškai pakeičiama kūno audiniu. Tuo pačiu metu jis turi turėti unikalią trimatę organizaciją, būdingą šio tipo audiniams, kuri atkartotų gyvo audinio tarpląstelinės matricos struktūrą. Pavyzdžiui, norint atkurti tuščiavidurius vamzdinius organus, naudojamos panašių organų dalys (žarnos, trachėja, šlapimtakiai ir šlapimo pūslė), kuriose nėra gyvybingų ląstelių, gautų iš didelių gyvūnų. Tačiau kaip tokius nešiklius galima naudoti ir kitas, pačias įvairiausias ir kartais gana netikėtas medžiagas.
Lengviausias būdas (jei, žinoma, čia dera kalbėti apie paprastumą) buvo sukurti biodirbtinius kaulus. Kaip ląstelių šaltiniai būsimiems kaulams naudojamos kaulų čiulpų stromos kamieninės ląstelės, kurios gali išsivystyti į skirtingų audinių ląsteles, taip pat skirtingos kilmės osteogeninės (galinčios formuoti kaulinį audinį) ląstelės. Tikras laukas fantazijai pateikiamas renkantis joms nešioklę. Naudojamas įvairių rūšių kolagenas, stiklo keramikos medžiagos, net koralai. Geras pagrindas yra negyvi (lavoniniai) žmonių ir gyvūnų kaulai, taip pat sudėtingos sintetinės struktūros, kurios per tam tikrą laiką ištirpsta organizme. Pastaruoju atveju pagrindinė problema yra osteogenezės proceso sinchronizavimas, tai yra kaulinio audinio susidarymas jo trūkumo srityje ir įvestos dirbtinės struktūros ištirpimas. Iki šiol visame pasaulyje buvo atlikta keli tūkstančiai chirurginių intervencijų, naudojant audinių inžinerijos būdu sukurtus kaulinio audinio ekvivalentus.
Sąnarių kremzlių ląstelių ir audinių rekonstrukcija yra labai paklausi medicinos paslaugų rinkoje. Kremzlė yra ypatingas audinys, kuris natūraliomis sąlygomis neatsinaujina. Kai kurių ekspertų vertinimais, vien šių gaminių rinka JAV gali siekti šimtus milijonų dolerių per metus.
Audinių inžinieriai neignoravo odos – didžiausio žmogaus kūno organo. Bendras suaugusio vyro odos plotas siekia 2,5 m 2, sveriantis 1520 kg (įskaitant poodinį audinį). Oda yra gana sudėtinga ir atlieka daugybę gyvybiškai svarbių funkcijų, todėl dėl jos didelės žalos, be vietinių sutrikimų, galima pastebėti ir bendrų patologinių apraiškų, kartais keliančių pavojų paciento gyvybei. Esant dideliems nudegimams ir ilgai negyjančioms opoms, oda negali pati atkurti savo vientisumo. Į pagalbą ateina specialistai, kurie jau turi ne tik laboratorinius prototipus, bet ir komercinius biodirbtinės odos pavyzdžius. Iki šiol tūkstančiai žmonių pasaulyje jau naudojasi panašius audinių preparatus medicinos paslaugų rinkoje siūlančių įmonių paslaugomis.Tačiau fantastiškiausių rezultatų audinių inžinieriai pasiekė vaikų praktikoje. Augantis organizmas kelia ypatingus reikalavimus audinių inžinerijos struktūrų kūrimui, nes jos turi augti kartu su vaiko kūnu. Taigi neseniai vokiečių mokslininkai sukūrė audinių inžinerijos būdu sukurtą širdies vožtuvą. Suaugusios kiaulės širdies vožtuvas buvo paimtas kaip kraujagyslių sienelės (endotelio) ląstelių pagrindas. O vaiko virkštelės kraujo ląstelės tapo ląstelių medžiagos šaltiniu. Beje, dar visai neseniai virkštelės kraujas gimdymo metu buvo išmetamas kartu su placenta, tačiau dabar vis daugiau įrodymų byloja, kad šių ląstelių išsaugojimas hemabankuose tam tikrais atvejais gali duoti šansą išgelbėti žmogaus gyvybę.
dirbtinis žandikaulis
Ne taip seniai vokiečių specialistų grupė iš Kylio miesto, vadovaujama Patrick Warnke, pranešė apie sėkmingą apatinio žandikaulio rekonstrukciją, kuri buvo beveik visiškai pašalinta dėl auglio pažeidimo. Iš pradžių gydytojai turėjo sukurti titano žandikaulio rėmą, kuris buvo užpildytas kaulų matrica, paciento kaulų čiulpais ir kaulų augimo faktoriais. Tačiau tokio didelio fragmento negalima iškart patalpinti į pažeidimo vietą, nes kaulų čiulpų ląstelės, įskaitant kamienines ląsteles, netekusios savo kraujagyslių tinklo, ne tik neišsiskiria į osteoblastus (ląsteles, gaminančias kaulinį audinį), bet ir mirtų nuo deguonies bado bei maistinių medžiagų trūkumo. Todėl gautas dizainas buvo įvestas į nugaros raumenis. Taip buvo daroma tam, kad intensyviai krauju aprūpintų raumenų storyje pačios kraujagyslės išaugtų į „biologinio protezo“ storį. Taip nutikus, darinys buvo pašalintas ir persodintas į tinkamą vietą, prieš tai mikrochirurginėmis priemonėmis sujungus apatinio žandikaulio kraujagysles ir bioprotezą.
Kasmet tokių ar panašių operacijų atliekama vis daugiau. Jie leidžia ne tik atkurti prarasto organo funkciją, bet ir suteikti estetinį kosmetinį efektą.
Laivų audiniai!
Vienas iš audinių inžinierių fantaziją ribojančių veiksnių yra tai, kad dėl tinkamo kraujo tiekimo ir inervacijos (ryšio su centrine nervų sistema) stokos neįmanoma sukurti gana didelių struktūrų. Iš dirbtinės aplinkos pašalintoms audinių inžinerijos struktūroms gresia mirtis dėl to, kad jose nėra kraujagyslių, o paciento organizme jos nebus pakankamai aprūpintos maistinėmis medžiagomis. Iš dalies šią problemą galima išspręsti iš anksto paruošus laikinai patalpinus laboratorijoje sukurtą audinių inžinerijos struktūrą po oda arba tarp raumenų. Po kurio laiko, kai kraujagyslės išauga per visą transplantato tūrį, jis izoliuojamas išsaugant indus ir perkeliamas į pažeidimo vietą. Tačiau šis požiūris yra susijęs su papildomos chirurginės traumos sukėlimu pacientui, todėl audinių inžinieriai rado išradingą sprendimą: biodirbtiniai audiniai biodirbtiniai kraujagyslės! Pirmieji darbai buvo atlikti su polimeriniais mikrovamzdeliais, iš vidaus išklotais endoteliu. Tokie vamzdeliai prasiskverbia per visą laboratorijoje sukurto audinio storį. Palaipsniui polimeras ištirpsta ir netrukdo dujų ir maistinių medžiagų mainams tarp kraujo ir ląstelių.
Šiandien beveik niekas neriboja audinių inžinierių galimybių. Sukurti ne tik laboratoriniai prototipai, bet ir klinikinėje praktikoje pritaikyti audinių inžinerijos būdu sukurti pieno liaukų spenelių, biodirbtinės šlapimo pūslės, šlapimtakių atitikmenys. Nustatomi metodiniai plaučių, kepenų, trachėjos, žarnyno pjūvių ir net kaverninių varpos kūnų kūrimo metodai.
Kepenų, plaučių ir kitų parenchiminių organų konstrukcija yra ypač sudėtinga, nes visos juose esančios ląstelės yra subtiliai tarpusavyje susijusios ir turi griežtai užimti savo vietą trimatėje erdvėje. Netikėti teigiami rezultatai čia pasirodė, kai ląstelės buvo auginamos suspensijoje, neprisijungusios prie paviršiaus. Mokslininkų komanda, vadovaujama profesoriaus Colino McGuckino iš Niukaslio universiteto (JK), panaudojo besisukantį bioreaktorių, sukurtą prieš 10 metų specialiai Tarptautinei kosminei stočiai. Tai leidžia imituoti nesvarumo ir mikrogravitacijos sąlygas Žemėje. Paaiškėjo, kad jame kultivuojant virkštelės kraujo kamienines ląsteles galima pasiekti ne tik jų transformacijos į funkciškai aktyvias kepenų ląsteles, bet ir organogenezę, susidarant kepenų audinio analogui su jam būdingomis funkcijomis.
Ne mažiau stebinantys rezultatai buvo gauti atliekant ląstelių kultūrų prisotinimo metalo nanodalelėmis eksperimentus liposomų pagalba, kurios laisvai prasiskverbia pro ląstelės membraną. Tokių struktūrų buvimas ląstelės viduje praktiškai neturi įtakos. Tačiau mokslininkai gauna galimybę kontroliuoti ląstelių augimą, veikdami jas skirtingų krypčių magnetiniais laukais. Tokiu būdu buvo galima sukurti ne tik kepenų struktūrų analogus, bet ir tokias sudėtingas struktūras kaip tinklainės elementai. Audinių inžinerijos akies vystymasis vis dar yra labai ankstyvoje stadijoje, tačiau jau pavyko gauti atskirų jos dalių – ragenos, skleros ir rainelės – atitikmenis. Tiesa, gautų dalių integravimo problema dar neišspręsta. Nepaisant to, mokslinėje literatūroje galima rasti informacijos apie šviesai jautrių ląstelių lazdelių ir kūgių persodinimą į akies „šventąją“ tinklainę, tačiau kol kas tik eksperimentinėmis sąlygomis.Galbūt, kad pagaliau pasijustų visagaliai, audinių inžinieriams tereikia išmokti laboratorijoje atkurti sudėtingus nervinių pradmenų darinius.
Pirmaujančiose Vakarų ir šalies laboratorijose specialistai bando atkurti kito itin sunkiai atkuriamo organo – danties – vystymąsi. Sunkumų kuriant jį sukelia tai, kad danties komponentai išsivysto iš įvairių šaltinių: iš dalies iš nervų sistemos darinių – nervinio keteros, iš dalies – iš burnos ertmės epitelio pamušalo. Šių šaltinių in vitro sujungti ilgą laiką nebuvo įmanoma. Iki šiol dirbtinėmis sąlygomis iš dalies atkurtos tik ankstyvosios dantų vystymosi stadijos. Paprastai be kūno pagalbos neapsieina, o po laboratorinių darbų būsimojo danties prototipą vis tiek reikia pasodinti į natūralią aplinką – žandikaulio alveolę (danties lizdą) visiškas audinių inžinerinės struktūros „brendimas“.
Dėl to galima teigti, kad pastarieji dvidešimt metų buvo pažymėti naujos biologijos ir medicinos šakos – audinių inžinerijos – atsiradimu. Šioje srityje dirbantys specialistai pasižymi išties išskirtinėmis savybėmis. Jie turi būti vienodai gydytojai ir biologai, taip pat turėti chirurgo įgūdžių. Tokių dabar niekur neruošiama, bent jau pas mus. Paprastai audinių inžinieriai yra entuziastai, išsikėlę tikslą vaikystės pasaką paversti realybe. Kol kas visuotinė žmonių problema, su kuria jie susiduria, toli gražu nėra išspręsta. Kiekvienais metais šimtai tūkstančių žmonių visame pasaulyje miršta nuo lėtinių ligų, nelaukdami gyvybę gelbstinčios donoro organo transplantacijos. Šiandien, matyt, nėra mokslininkų, kurie paneigtų, kad audinių inžinerija yra ateities medicina, kurios sėkmė yra nepaprastai svarbi visai žmonijai. Tačiau kartu sunku rasti tokį specialistą, kuris besąlygiškai kviestų gydytis audinių inžinerijos metodais, šioje labai perspektyvioje žinių srityje kyla per daug klausimų ir neišspręstų problemų.
Susijusios svetainės
www.celltranspl.ru Tinklalapis „Ląstelių technologijos medicinoje“. Čia taip pat veikia elektroninis žurnalas „Ląstelių transplantacija ir audinių inžinerija“.
www.gemabank.ru Gemabank kamieninių ląstelių banko svetainė yra skirta virkštelės kraujo saugojimui ir naudojimui.
organprint.missouri.edu Mokslinės grupės iš Misūrio universiteto (JAV) svetainė, skirta dirbtiniams organams, atspausdintiems specializuotu spausdintuvu.