Buněk, Lešení, a Biofaktorů: Z Funkční na Translační Tkáňové Inženýrství

Regenerativní medicíny přístupy založené na inženýrské buněk a biomateriálů lešení do ‚náhradní-část tkáně slib utvářet budoucnost rekonstrukční chirurgie a transplantace orgánů. K datu, použití rostoucích funkčně upravených tkání in vitro pro následnou implantaci do tkáňových defektů in vivo zůstává experimentální, navzdory některým časným klinickým úspěchům . V tomto přístupu, kombinace buněk a bioaktivních molekul, které jsou nasazeny na trojrozměrné lešení, biomateriál,

Buňky lze získat z různých zdrojů, včetně embryonálních kmenových buněk, postnatální a dospělých kmenových/progenitorových buněk, nebo nejvíce nedávno objevil indukované pluripotentní kmenové buňky (iPS). Společným přístupem při regeneraci tkání bylo izolovat buňky z tkáňových biopsií nebo aspirátů, manipulovat s nimi a znovu je zavést do hostitele . Pro regeneraci kostí bylo zkoumáno více buněčných zdrojů, včetně čerstvých aspirátů kostní dřeně ; čistí, kultury-rozšířil kostní dřeně mezenchymálních kmenových/progenitorových buněk , osteoblasty a buňky, které byly geneticky modifikované vyjádřit osteogenní faktory, jako jsou rhBMP , pupečníkové krve buňky , tukové odvozené od kmenových/progenitorových buněk , nebo embryonálních kmenových buněk . Vnímané výhody a nevýhody těchto buněčných zdrojů v inženýrství kostních tkání byly nedávno přezkoumány .

jednou z klíčových výzev transplantace buněk jsou náklady a složitost spojené s vývojem experimentálních strategií do přípravků schválených regulacemi. Intraoperační zpracování buněk, i když je imunní vůči regulačnímu schválení, může sloužit pouze jako služba péče o jednoho pacienta najednou. Jakmile jsou buňky manipulovány mimo místo, je automaticky vyžadováno regulační schválení. Transplantace buněk se setkal s řadou překážek směrem klinické překlad, včetně případné imunitní odmítnutí pro non-autologní buňky, patogen převodovka, potenciál tumorigenezi, náklady spojené s balení, skladování a expedice, skladovatelnost a neochota lékařů a pojištění v klinických přijetí . Přežívání buněk v hostitelském je také nevyřešený problém, a to bez ohledu na zdroje buněk, a tam je debata o tom, zda transplantované buňky jsou regenerační per se, nebo prostě působí jako pleiotropní zdroj faktory a signály, a to zejména v jejich schopnosti regulovat zánět . Tyto bariéry budou i nadále výzvou pro implementaci upravené kosti jako klinické léčby v dohledné budoucnosti. Alternativním paradigmatem je aktivace endogenních kmenových buněk k účasti na regeneraci kostí. Příkladem jsou periostální progenitorové buňky, které jsou aktivovány zraněním a hrají nepostradatelnou roli při opravě zlomenin . Je třeba prokázat, zda jednoduchá mobilizace a navádění endogenních kmenových buněk do místa defektu postačí k regeneraci a bude mít výhody oproti transplantaci exogenních buněk.

montážní buňky do požadovaného trojrozměrného (3D) podobě kostního defektu vyžaduje lešení, biomateriál, který poskytuje a zachovává buňky, a potenciálně stimuluje a řídí jejich indukce regenerace tkání. Minimální požadavky biomateriál lešení kromě výživu Formě (3D tvaru a velikosti) patří Fixace (zajištění přílohu k hostitelské kosti a minimalizace micro-motion), Funkce (zřízení dočasné nebo trvalé mechanické zatížení ložiska) a Formace (zajištění vhodné pórovitosti pro hromadnou dopravu, revaskularizace, osteoinduction a osteoconduction) . Další charakteristiky biokompatibility musí být rovněž splněny u biomateriálových lešení, včetně nedostatečné imunogenicity a toxicity. Kromě toho, lešení může být posílena tím, že povrch functionalizing vyvolat afinitu k mobilní závazné a interaktivní odlišení buněk reakci, a mohou být navrženy pro lokalizované, řízené dodávky různých bioaktivních molekul.

lešení mohou pocházet z nativních tkání a biologických polymerů a/nebo syntetických polymerů a mohou být vyrobeny za použití různých konvenčních technik (přezkoumáno v). Mezi těmito technikami nabízí výroba pevných forem (SFF) zřetelné výhody při umožnění vynikající kontroly formy lešení a vnitřní architektury založené na 3D modelování kostní defekty vedené lékařským obrazem . V poslední době, 3D bioprinting bylo povoleno komerční dostupnost, nízké teploty, vysoké rozlišení, multi-injector 3D tiskové systémy, které byly původně vyvinuty pro rychlé prototypování aplikací. Tato technologie byla úspěšně adaptována pro kostní tkáňové inženýrství s biokompatibilní a osteoinductive vápenatý prášek a biokompatibilní pojiva systém pro CT-guided 3D tisk pacient-specifické lešení . Multi-vstřikovací schopností barevné 3D tiskárny potenciálně umožnit vkládání kombinací biofaktorů a molekuly uvnitř lešení s územní řízení, které může být atraktivní v situacích, které by mohly vyžadovat prostoročasové kontrolu nad uvolňovací kinetiky. Nicméně, nedávné recenzi scaffoldů pro kostní tkáňové inženýrství má namaloval smutný obraz pro translační pokroku v oblasti , která zůstává prošpikovaná technickými problémy projektování, výrobu a functionalizing lešení, schválení regulačních překážek, podnikatelské výzvy týkající se zasedání identifikovat mezery na trhu a generování velké počáteční investice nezbytné k udržení podnikání prostřednictvím dlouho-tažené-out regulačního procesu a duševního vlastnictví (IP) životního cyklu otázek, které musí chránit výrobek dost dlouho mimo regulační proces, aby kompenzovaly investice a učinit tyto produkty komerčně životaschopné.

dodávka biofaktorů a molekul může změnit buněčnou signalizaci v defektním prostředí a bylo prokázáno, že ovlivňuje výsledek regenerace. Populární paradigma v tkáňovém inženýrství naznačuje, že reaktivace vývojových faktorů a signalizace mohou být nezbytné pro skutečnou regeneraci ztracené dospělé tkáně . Není však jasné, zda složité vývojové signalizační gradienty a kaskády musí nebo mohou být věrně replikovány při opravě postnatální tkáně. Bez ohledu na to, naše znalosti o vývojové biologii pohybového aparátu, a konkrétněji endochondrální a intramembranózní tvorbu kostí u embrya nám poskytuje nepřeberné množství informací o faktorech, které při aplikaci individuálně může zvýšit kostní regenerace. Tento druhý, jednodušší přístup je vhodnější pro terapeutický překlad.

dobrým příkladem byl objev kostní morfogenní proteiny (BMP), které byly objeveny Marshall Urist a nabízený pro jejich osteoinductive vlastnosti . Základní vědecké studie využívající transgenní myši, ve kterých byly jednotlivé bmp selektivně vyřazeny z kostry končetiny, identifikovaly BMP-2 jako kritický faktor vrozené regenerační kapacity kosti . Kombinace rekombinantní lidský BMP-2 na vstřebatelné kolagenové houbičky (ACS) dopravce je jedním z nejvíce studovaných systémů v preklinických a klinických zkoušek, a představuje jeden z nejvýznamnějších terapeutické ortopedické objevy . S podporou úrovni 1 údaje z klinických studií, rhBMP-2/ACS (VYLUHOVAT® Kostní Štěp) je komerčně dostupný v době psaní tohoto článku, za tři Food and Drug Administration (FDA)-schválených klinických indikacích včetně spinální fúze, otevřené zlomeniny tibie s intermedullary (IM) fixace na nehty, ústní a maxilofaciální augmentace (sinus signál, a alveolární ridge rozšíření pro vady spojené s těžbou zásuvky) . Nicméně, účinnost VYLUHOVAT Kostní Štěpy vyžaduje suprafyziologické koncentrace BMP-2, a četné nežádoucí účinky byly podala u FDA a v literatuře je popsáno ve schválených indikacích a off-label použití . Proto, určení efektivní dávky z BMP-2 (a možná i dalších osteogenní a vasculogenic faktory) pro regeneraci kritické kostní vady, nejlépe s přípustnou a subklinické vedlejší účinky, zůstává společná výzva pro regeneraci tkání společenství.

vzrušující vyhlídkou bylo objevení terapeutické hodnoty systémových hormonů, jako je parathormon (PTH), při opravě zlomenin a tkáňovém inženýrství kritických diafyzálních defektů v preklinických modelech. Tento systémový přístup k doručování může překonat výzvy spojené s místním doručením, ale musí být klinicky ověřen.

K součtu jednotlivých složek konvenční tkáně-strojírenství triády (buněk, lešení, a biofaktorů) přináší jedinečné sady problémů. Optimalizace těchto kompozitních konstrukcí do funkčních tkáňových náhrad se obvykle provádí empiricky v laboratoři ex vivo pomocí modelů buněčné a tkáňové kultury a in vivo pomocí preklinických zvířecích modelů. Tento přístup však čelil obtížným překážkám při překladu z lavičky na lůžko. Tři složky léčivého přípravku by mít alespoň 3ni možných kombinací nezávislých proměnných (kde ni je počet možných proměnných spojených s ith součástí three-component product), který dělá proveditelnosti testování experimentální matice v komplexní vyšetřování nemožné. To omezilo pokrok v této oblasti pouze na přírůstkové objevy, navzdory vzrušujícímu vývoji a průlomovým technologiím, které byly hlášeny v malých zvířecích a preklinických modelech. Regulační požadavky vícesložkových produktů pro regeneraci kostí brání a nadále zpomalují klinický překlad. Nicméně, inovativní ‚point-of-care‘ regenerativní přístupy řídí tkáňové inženýrství paradigmatu byly hlášeny v klinické literatuře se pozoruhodné úspěchy.