Cells, Scaffolds, and Biofactors: from Functional to Translational Tissue Engineering

Regenerative medicine approaches based on engineering cells and biomaterial scaffolds into ”spare-part” kudokset lupaavat muokata rekonstruktiivisen kirurgian ja elinsiirron tulevaisuutta. Tähän mennessä kasvavien funktionaalisten muokattujen kudosten käyttö in vitro myöhempää implantaatiota varten kudosvaurioihin In vivo on edelleen kokeellista, vaikka joitakin kliinisiä tuloksia on saatu jo varhaisessa vaiheessa . Tässä lähestymistavassa solujen ja bioaktiivisten molekyylien yhdistelmät kylvetään kolmiulotteisille biomateriaalitelineille

soluja voidaan hakea useista eri lähteistä, kuten alkion kantasoluista, postnataalisista ja aikuisten kantasoluista tai viimeksi löydetyistä indusoiduista pluripotenteista kantasoluista (iPS). Yleinen lähestymistapa suunnitellussa kudosuudistuksessa on ollut eristää soluja kudosbiopsioista tai aspiraateista, manipuloida niitä ja palauttaa ne isäntään . Luun uudistumista varten on tutkittu useita solulähteitä, mukaan lukien tuoreet luuytimen aspiraatit ; puhdistetut, viljelmillä laajennetut luuytimen mesenkymaaliset kantasolut , osteoblastit ja solut , jotka on geneettisesti muunnettu ilmentämään osteogeenisiä tekijöitä , kuten rhBMP, napanuoran verisolut, rasvasta johdetut kantasolut tai alkion kantasolut . Näiden solulähteiden koettuja etuja ja haittoja luukudostekniikassa on hiljattain tarkasteltu .

yksi solusiirtojen keskeisistä haasteista on kokeellisten strategioiden kehittämiseen sääntelyssä hyväksytyiksi tuotteiksi liittyvät kustannukset ja monimutkaisuus. Intra-operatiivinen solujen käsittely, vaikka immuuni sääntelyä hyväksyntää, voi toimia vain pisteen-of-care palvelua yksi potilas kerrallaan. Kun soluja manipuloidaan paikan päällä, tarvitaan automaattisesti viranomaishyväksyntä. Solusiirto on kohdannut useita esteitä kliiniselle translaatiolle, kuten ei-autologisten solujen mahdollinen immuunihyljintä, patogeenien leviäminen, mahdollinen tuumorigeenisuus, pakkaus -, varastointi-ja kuljetuskustannukset, säilyvyysaika sekä lääkäreiden vastahakoisuus ja vakuutukset kliinisessä adoptiossa . Solun selviytyminen isännässä on myös ratkaisematon kysymys solulähteestä riippumatta, ja on keskusteltu siitä, ovatko siirretyt solut regeneratiivisia sinänsä vai toimivatko ne vain pleiotrooppisena tekijöiden ja signaalien lähteenä, erityisesti kyvyssään säädellä tulehdusta . Nämä esteet ovat haasteita suunnitellun luun käyttöönotolle kliinisenä hoitona lähitulevaisuudessa. Vaihtoehtoinen paradigma on aktivoida endogeenisiä kantasoluja osallistumaan luun uudistumiseen. Esimerkkinä voidaan mainita periosteal progenitors-solut, jotka aktivoituvat vamman vaikutuksesta ja joilla on välttämätön rooli murtumien korjaamisessa . On vielä todistettava, riittääkö endogeenisten kantasolujen yksinkertainen mobilisointi ja sijoittaminen vikakohdalle uusiutumiseen ja onko niillä etuja eksogeeniseen solusiirtoon verrattuna.

solujen kokoaminen luustossa vaadittuun kolmiulotteiseen (3D) muotoon edellyttää tukirakenteista biomateriaalia, joka tuottaa ja säilyttää soluja ja mahdollisesti stimuloi ja ohjaa niiden kudoksen uudistumista. Biomateriaalitelineiden vähimmäisvaatimukset muodon ylläpitämisen (3d-muoto ja koko) lisäksi sisältävät kiinnityksen (kiinnittymisen varmistaminen isäntäluuhun ja pienimuotoisen liikkeen minimointi), toiminnan (väliaikaisen tai pysyvän mekaanisen kuorman kantamisen perustaminen) ja muodostumisen (sopivan huokoisuuden tarjoaminen massakuljetukseen, revaskularisaatioon, osteoinduktioon ja osteokonduktioon) . Biomateriaalitelineillä on täytettävä myös muita bioyhteensopivuusominaisuuksia, mukaan lukien immunogeenisuuden ja myrkyllisyyden puute. Lisäksi rakennustelineitä voidaan parantaa pintafunktionalisoimalla affiniteettia solujen sitoutumiseen ja solujen vasteen interaktiiviseen modulaatioon, ja ne voidaan suunnitella erilaisten bioaktiivisten molekyylien paikallisiin, kontrolloituihin toimituksiin.

Rakennustelineet voivat olla peräisin alkuperäisistä kudoksista ja biologisista polymeereistä ja / tai synteettisistä polymeereistä, ja ne voidaan valmistaa erilaisilla tavanomaisilla tekniikoilla (tarkistettu ). Näistä tekniikoista solid freeform fabrication (SFF) tarjoaa selviä etuja, jotka mahdollistavat telineen muodon erinomaisen hallinnan ja sisäisen arkkitehtuurin, joka perustuu lääketieteelliseen kuvaohjattuun 3D-mallinnukseen luuvauriosta . Viime aikoina 3D-bioprinting on mahdollistanut kaupallisen saatavuuden alhaisen lämpötilan, korkean resoluution, multi-injector 3D-tulostusjärjestelmät, jotka on alun perin kehitetty nopeisiin prototyyppisovelluksiin. Tämä tekniikka on onnistuneesti mukautettu luukudostekniikkaan bioyhteensopivan ja osteoinduktiivisen kalsiumfosfaattijauheen ja bioyhteensopivan sidejärjestelmän avulla POTILASKOHTAISTEN telineiden CT-ohjattuun 3D-tulostukseen . Värillisen 3D-tulostimen multi-injector-ominaisuudet mahdollistavat mahdollisesti biofaktorien ja molekyylien yhdistelmien upottamisen telineeseen spatiaalisen ohjauksen avulla, mikä voi olla houkuttelevaa tilanteissa, jotka saattavat vaatia spatiotemporaalista kontrollia vapautumiskinetiikasta. Luukudostekniikan rakennustelineiden äskettäinen tarkastelu on kuitenkin maalannut synkän kuvan alan translationaalisesta edistymisestä, joka on edelleen täynnä teknisiä haasteita, jotka liittyvät rakennustelineiden suunnitteluun, valmistukseen ja toimivuuteen, sääntelyyn liittyviä hyväksymisesteitä, liiketoimintahaasteita, jotka liittyvät markkinarakojen tunnistamiseen ja suurten alkuinvestointien tuottamiseen, jotka ovat välttämättömiä liiketoiminnan ylläpitämiseksi pitkällisen sääntelyprosessin kautta, ja immateriaalioikeuksien (IP) elinkaarikysymyksiä, joiden on suojeltava tuotetta riittävän kauan sääntelyprosessin jälkeen, jotta voidaan palauttaa investoinnit ja tehdä näistä tuotteista kaupallisesti kannattavia.

biofaktorien ja molekyylien toimitus voi muuttaa solujen signalointia vikamiljöössä ja sen on osoitettu vaikuttavan regeneraation lopputulokseen. Kudostekniikan suosittu paradigma viittaa siihen, että kehityshäiriöiden ja signaloinnin uudelleenaktivointi saattaa olla tarpeen menetetyn aikuisen kudoksen todelliselle uudistumiselle . On kuitenkin epäselvää, tarvitaanko tai voidaanko monimutkaisia kehityksellisiä signalointigradientteja ja kaskadeja jäljitellä uskollisesti syntymänjälkeisessä kudoskorjauksessa. Riippumatta siitä, ymmärryksemme tuki-ja liikuntaelimistön kehitysbiologiasta ja tarkemmin sanottuna endokondriaalisesta ja intramembranoottisesta luun muodostumisesta alkiossa tarjoaa meille runsaasti tietoa tekijöistä, jotka yksilöllisesti sovellettuna voivat parantaa luun uudistumista. Tämä jälkimmäinen, yksinkertaisempi lähestymistapa on parempi terapeuttinen käännös.

esimerkkinä on Marshall Uristin löytämä luun morfogeneettisten proteiinien (BMP) löytö, jota mainostettiin niiden osteoinduktiivisten ominaisuuksien vuoksi . Basic science tutkimukset käyttäen siirtogeenisiä hiiriä, joissa yksittäiset BMPs on valikoivasti tyrmätty raajan luuranko on tunnistettu BMP-2 on kriittinen tekijä luontainen regeneratiivinen kapasiteetti luun . Rekombinantin ihmisen BMP-2: n yhdistäminen imeytyvään kollageenisieneen (ACS) on ollut yksi tutkituimmista systeemeistä prekliinisissä ja kliinisissä tutkimuksissa, ja se on yksi merkittävimmistä terapeuttisista ortopedisista löydöistä . Rhbmp-2/ACS (INFUSE® Luusiirre) on tämän kirjoitushetkellä kaupallisesti saatavilla kolmelle elintarvike-ja lääkeviraston (FDA) hyväksymälle kliiniselle käyttöaiheelle, mukaan lukien selkärangan fuusio, avoimet sääriluun murtumat, joissa on intermedullaarinen (im) kynsien kiinnitys, suun ja leukalihaksen augmentaatio (sinus augmentations, ja alveolaarinen ridge augmentations for defects related in extraction sockets) . INFUSOITUJEN Luusiirrosten teho edellyttää kuitenkin BMP-2: n suprafysiologisia pitoisuuksia, ja FDA: ssa on jätetty lukuisia haittavaikutuksia ja raportoitu kirjallisuudessa hyväksytyissä käyttöaiheissa ja off-label-käyttötarkoituksissa . Siksi BMP-2: n (ja ehkä muiden osteogeenisten ja vaskulogeenisten tekijöiden) tehokkaiden annosten tunnistaminen kriittisten luuvaurioiden uudistamiseksi, mieluiten siedettävillä ja subkliinisillä sivuvaikutuksilla, on edelleen yleinen haaste kudosten uudistumisyhteisölle.

jännittävä tulevaisuudennäkymä on ollut systeemisten hormonien, kuten lisäkilpirauhashormonin (PTH), terapeuttisen arvon löytyminen murtumien korjauksessa ja prekliinisten mallien kriittisten diafyseaalisten vikojen kudostekniikassa . Tämä systeeminen toimitustapa saattaa ratkaista paikalliseen toimitukseen liittyvät haasteet, mutta se on vielä validoitava kliinisesti.

yhteenvetona voidaan todeta, että jokainen perinteisen kudostekniikan Triadin yksittäisistä komponenteista (solut, telineet ja biofactorit) tuo ainutlaatuisia haasteita. Näiden komposiittirakenteiden optimointi funktionaalisiksi kudoskorvikkeiksi suoritetaan tyypillisesti empiirisesti laboratoriossa ex vivo käyttäen solu-ja kudosviljelmämalleja ja in vivo käyttäen prekliinisiä eläinmalleja. Tämä lähestymistapa on kuitenkin kohdannut vaikeita esteitä kääntymiselle penkiltä sängyn pohjalle. Kolmikomponenttisessa lääketieteellisessä tuotteessa olisi vähintään 3ni mahdollista riippumattomien muuttujien yhdistelmää (jossa ni on kolmikomponenttituotteen i: s komponenttiin liittyvien mahdollisten muuttujien lukumäärä), mikä tekee kokeellisen matriisin testaamisen toteutettavuuden kattavassa tutkimuksessa mahdottomaksi. Tämä on rajoittanut alan edistysaskeleet vain inkrementaalisiin löytöihin huolimatta jännittävästä kehityksestä ja läpimurtoteknologioista, joita on raportoitu pienissä eläin-ja prekliinisissä malleissa. Monikomponenttisten luuston uudistamistuotteiden lakisääteiset vaatimukset ovat estäneet ja hidastavat edelleen kliinistä kääntämistä. Kudostekniikan paradigman ohjaamat innovatiiviset ”point-of-care” – regeneratiiviset lähestymistavat on kuitenkin raportoitu kliinisessä kirjallisuudessa merkittävällä varhaisella menestyksellä.