celler, stilladser og biofaktorer: fra funktionel til translationel vævsteknik

regenerativ medicin tilgange baseret på ingeniørceller og biomateriale stilladser i ‘reservedel’ væv lover at forme fremtiden for rekonstruktiv kirurgi og organtransplantation. Til dato, anvendelse af voksende funktionelt konstrueret væv in vitro til efterfølgende implantation i vævsdefekter in vivo forbliver eksperimentel, på trods af nogle tidlige kliniske succeser . I denne tilgang er kombinationer af celler og bioaktive molekyler podet på tredimensionelle biomateriale stilladser

celler kan hentes fra en række kilder, herunder embryonale stamceller, postnatale og voksne stamceller/stamceller eller de senest opdagede inducerede pluripotente stamceller (iPS). Den fælles tilgang i manipuleret vævsregenerering har været at isolere celler fra vævsbiopsier eller aspirater, manipulere dem og genindføre dem i værten . Til knogleregenerering er flere cellekilder blevet undersøgt, herunder friske knoglemarvsaspirater ; oprenset, kulturudvidet knoglemarv mesenkymale stamceller/stamceller , osteoblaster og celler , der er blevet genetisk modificeret til at udtrykke osteogene faktorer såsom rhBMP , navlestrengsblodceller , adipose afledte stamme / stamceller eller embryonale stamceller . Opfattede fordele og ulemper ved disse cellekilder i knoglevævsteknik er for nylig blevet gennemgået .

en af de centrale udfordringer ved celletransplantation er omkostningerne og kompleksiteten forbundet med udviklingen af eksperimentelle strategier til reguleringsgodkendte produkter. Intra-operativ cellebehandling, mens den er immun mod lovgivningsmæssig godkendelse, kan kun tjene som en point-of-care service for en patient ad gangen. Når cellerne er manipuleret uden for stedet, kræves automatisk godkendelse af lovgivningen. Celletransplantation har stødt på en række barrierer mod klinisk oversættelse, herunder potentiel immunafstødning for ikke-autologe celler, patogenoverførsel, potentiel tumorigenese, omkostninger forbundet med emballering, opbevaring og forsendelse, holdbarhed og modvilje hos læger og forsikring ved klinisk adoption . Celleoverlevelse i værten er også et uafklaret problem, uanset cellekilden, og der er debat om, hvorvidt de transplanterede celler i sig selv er regenerative eller blot fungerer som en pleiotropisk kilde til faktorer og signaler, især i deres evne til at regulere betændelse . Disse barrierer vil fortsat være udfordringer for implementeringen af Konstrueret knogle som en klinisk behandling i overskuelig fremtid. Et alternativt paradigme er at aktivere endogene stamceller til at deltage i knogleregenerering. Et eksempel er periosteale stamceller, som aktiveres ved skade og spiller en uundværlig rolle i brudreparation . Hvorvidt simpel mobilisering og homing af endogene stamceller til defektstedet er tilstrækkelig til regenerering og har fordele i forhold til eksogen celletransplantation, skal stadig bevises.

samlingen af cellerne i den krævede tredimensionelle (3D) form af knogledefekten kræver et stilladsbiomateriale, der leverer og bevarer cellerne og potentielt stimulerer og styrer deres induktion af vævsregenerering. Minimumskravene til biomateriale stilladser ud over næring af Form (3D-form og størrelse) inkluderer fiksering (sikring af fastgørelsen til værtsbenet og minimering af mikrobevægelse), funktion (etablering af midlertidig eller permanent mekanisk belastning) og dannelse (tilvejebringelse af passende porøsitet til massetransport, revaskularisering, osteoinduktion og osteokonduktion) . Yderligere biokompatibilitetskarakteristika skal også opfyldes i biomaterialestilladser, herunder manglen på immunogenicitet og toksicitet. Desuden kan stilladser forbedres ved overfladefunktionalisering for at fremkalde affinitet til cellebinding og interaktiv modulering af cellernes respons og kan designes til lokaliseret, kontrolleret levering af forskellige bioaktive molekyler.

stilladser kan stamme fra indfødte væv og biologiske polymerer og / eller syntetiske polymerer og kan fremstilles ved hjælp af en række konventionelle teknikker (gennemgået i ). Blandt disse teknikker tilbyder solid freeform fabrication (SFF) forskellige fordele ved at muliggøre udsøgt kontrol af stilladsformen og intern arkitektur baseret på medicinsk billedstyret 3D-modellering af knogledefekten . For nylig er 3D-bioprinting blevet aktiveret af den kommercielle tilgængelighed af multiinjektor 3D-udskrivningssystemer med lav temperatur, høj opløsning, som oprindeligt blev udviklet til hurtige prototypeapplikationer. Denne teknologi er med succes tilpasset til knoglevævsteknik med biokompatibelt og osteoinduktivt calciumphosphatpulver og biokompatibelt bindesystem til CT-styret 3D-udskrivning af patientspecifikke stilladser . Multiinjektorfunktionerne i en farvet 3d-printer tillader potentielt indlejring af kombinationer af biofaktorer og molekyler i stilladset med rumlig kontrol, hvilket kan være attraktivt i scenarier, der muligvis kræver spatiotemporal kontrol over frigivelseskinetik. En nylig gennemgang af stilladser til knoglevævsteknik har imidlertid malet et dyster billede for translationel fremskridt på området, som fortsat er fyldt med tekniske udfordringer ved design, fremstilling og funktionalisering af stilladser, lovgivningsmæssige godkendelsesbarrierer, forretningsudfordringer relateret til at møde identificering af nichemarkeder og generere store indledende investeringer, der er nødvendige for at opretholde virksomheden gennem den langvarige reguleringsproces, og intellektuelle ejendomsrettigheder (IP) livscyklusproblemer, der skal beskytte produktet længe nok ud over reguleringsprocessen til at inddrive de nødvendige gøre disse produkter kommercielt levedygtige.

levering af biofaktorer og molekyler kan ændre cellesignalering i defektmiljøet og har vist sig at påvirke resultatet af regenerering. Et populært paradigme inden for vævsteknik antyder, at reaktivering af udviklingsfaktorer og signalering kan være nødvendig for ægte regenerering af det mistede voksne væv . Det er imidlertid uklart, om de komplekse udviklingsmæssige signalgradienter og kaskader skal eller kan replikeres trofast i postnatal vævsreparation. Uanset, vores forståelse af muskuloskeletals udviklingsbiologi, og mere specifikt endokondral og intramembranøs knogledannelse i embryoet giver os en overflod af information om faktorer, som, når de anvendes individuelt, kan forbedre knogleregenerering. Denne sidstnævnte, enklere tilgang foretrækkes til terapeutisk oversættelse.

et eksempel har været opdagelsen af knoglemorfogenetiske proteiner (BMP), som blev opdaget af Marshall Urist og udråbt for deres osteoinduktive egenskaber . Grundlæggende videnskabelige undersøgelser ved hjælp af transgene mus, hvor individuelle BMP ‘ er er blevet selektivt slået ud fra lemskelettet, har identificeret BMP-2 som en kritisk faktor i den medfødte regenerative kapacitet af knogle . Kombinationen af rekombinant human BMP – 2 på en absorberbar kollagensvamp (ACS) bærer har været et af de mest undersøgte systemer i prækliniske og kliniske undersøgelser og repræsenterer en af de mest betydningsfulde terapeutiske ortopædiske opdagelser . Med understøttende kliniske forsøgsdata på niveau 1 er rhBMP-2/ACS (INFUSE karrus Bone Graft) kommercielt tilgængelig på tidspunktet for denne skrivning til tre Food and Drug Administration (FDA)-godkendte kliniske indikationer inklusive spinalfusion, åbne tibialfrakturer med en intermedullær (IM) neglefiksering, oral og maksillofacial forstørrelse (sinusforstørrelser og alveolære rygforstørrelser for defekter forbundet med ekstraktionssokler) . Imidlertid, effekten af INFUSE knogletransplantater kræver suprafysiologiske koncentrationer af BMP-2, og adskillige bivirkninger er indgivet til FDA og rapporteret i litteraturen i godkendte indikationer og off-label anvendelser . Derfor forbliver identifikationen af effektive doser af BMP-2 (og måske andre osteogene og vaskulogene faktorer) til regenerering af kritiske knogledefekter, fortrinsvis med tolerable og subkliniske bivirkninger, en almindelig udfordring for vævsregenerering samfund.

et spændende perspektiv har været opdagelsen af den terapeutiske værdi af systemiske hormoner såsom parathyreoideahormon (PTH) i brudreparation og vævsteknik af kritiske diafyseale defekter i prækliniske modeller . Denne systemiske leveringsmetode kan muligvis overvinde udfordringerne forbundet med lokal levering, men skal stadig valideres klinisk.

for at opsummere bringer hver af de enkelte komponenter i den konventionelle vævstekniske triade (celler, stilladser og biofaktorer) unikke sæt udfordringer. Optimering af disse kompositkonstruktioner til funktionelle vævserstatninger udføres typisk empirisk i laboratoriet eks vivo ved hjælp af celle-og vævskulturmodeller og in vivo ved hjælp af prækliniske dyremodeller. Denne tilgang har imidlertid været udsat for vanskelige barrierer for oversættelse fra bænken til sengen. Et tre-komponent medicinsk produkt ville have mindst 3NI mulige kombinationer af uafhængige variabler (hvor ni er antallet af mulige variabler forbundet med ith-komponenten i trekomponentproduktet), hvilket gør det umuligt at teste den eksperimentelle matrice i en omfattende undersøgelse. Dette har begrænset fremskridt på området til kun trinvise opdagelser, på trods af spændende udviklinger og gennembrudsteknologier, der er rapporteret i små dyr og prækliniske modeller. De lovgivningsmæssige krav til multikomponentbenregenereringsprodukter har hindret og fortsætter med at bremse klinisk oversættelse. Ikke desto mindre er innovative ‘point-of-care’ regenerative tilgange styret af vævsteknisk paradigme er rapporteret i den kliniske litteratur med bemærkelsesværdige tidlige succeser.