sejtek, Állványok és Biofaktorok: a funkcionális transzlációs Tissue Engineering
regeneratív orvoslás alapuló megközelítések mérnöki sejtek és bioanyag állványzat a ‘pótalkatrész’ szövetek ígérik, hogy formálja a jövőben a rekonstruktív sebészet és szervátültetés. A mai napig a növekvő funkcionális mesterséges szövetek használata in vitro a későbbi beültetéshez szöveti hibákba in vivo továbbra is kísérleti jellegű, néhány korai klinikai siker ellenére . Ebben a megközelítésben a sejtek és a bioaktív molekulák kombinációit háromdimenziós bioméretű állványokra vetik be
a sejtek különféle forrásokból nyerhetők ki, beleértve az embrionális őssejteket, a születés utáni és a felnőtt őssejteket/progenitor sejteket, vagy a legutóbb felfedezett indukált pluripotens őssejteket (iPS). A mesterséges szövetregeneráció általános megközelítése az volt, hogy izolálják a sejteket a szövetbiopsziákból vagy aspirátumokból, manipulálják őket, és visszahelyezik őket a gazdaszervezetbe . A csontregenerációhoz több sejtforrást vizsgáltak, beleértve a friss csontvelő-aspirátumokat is ; tisztított, tenyésztéssel kibővített csontvelő mesenchymalis ős / progenitor sejtek, oszteoblasztok és olyan sejtek , amelyeket genetikailag módosítottak az oszteogén tényezők , például rhBMP , köldökzsinórvérsejtek, zsírból származó őssejtek/progenitor sejtek vagy embrionális őssejtek expresszálására . Észlelt előnyei és hátrányai ezeknek a sejtforrásoknak a csontszövet mérnöki nemrégiben felülvizsgálták .
a sejttranszplantáció egyik legfontosabb kihívása a kísérleti stratégiák szabályozással jóváhagyott termékekké történő kidolgozásának költsége és összetettsége. Az intraoperatív sejtfeldolgozás, bár mentes a hatósági jóváhagyástól, egyszerre csak egy beteg számára szolgálhat gondozási pontként. Miután a cellákat a helyszínen manipulálták, a hatósági jóváhagyás automatikusan szükséges. A sejttranszplantáció számos akadályba ütközött a klinikai transzláció során, beleértve a nem autológ sejtek potenciális immunkilökődését, a kórokozó átvitelét, a potenciális tumorigenezist, a csomagolással, tárolással és szállítással kapcsolatos költségeket, az eltarthatóságot és az orvosok vonakodását és a klinikai örökbefogadás biztosítását . A sejtek túlélése a gazdaszervezetben szintén rendezetlen kérdés, függetlenül a sejtforrástól, és vita folyik arról, hogy az átültetett sejtek önmagukban regeneratívak-e, vagy egyszerűen csak a tényezők és jelek pleiotróp forrásaként működnek, különösen a gyulladás szabályozásának képességében . Ezek az akadályok továbbra is kihívást jelentenek a tervezett csont klinikai kezelésként történő megvalósítása szempontjából belátható jövőben. Alternatív paradigma az endogén őssejtek aktiválása a csontregenerációban való részvétel érdekében. Példa erre a periostealis progenitor sejtek, amelyek sérülés által aktiválódnak, és nélkülözhetetlen szerepet játszanak a törés helyreállításában . Az, hogy az endogén őssejtek egyszerű mobilizálása és a hibás helyre történő elhelyezése elegendő-e a regenerációhoz, és előnyei vannak-e az exogén sejt transzplantációval szemben, még nem bizonyított.
a sejteknek a csontdefektus szükséges háromdimenziós (3D) formájába történő összeszereléséhez olyan állványzatú biológiai anyagra van szükség, amely szállítja és megtartja a sejteket, és potenciálisan stimulálja és irányítja a szövetek regenerálódását. A biomateriális állványok minimális követelményei a forma fenntartása mellett (3D alak és méret) magukban foglalják a rögzítést (a gazdacsonthoz való kötődés biztosítása és a mikromozgás minimalizálása), a funkciót (ideiglenes vagy állandó mechanikai teherhordás kialakítása) és a kialakulást (megfelelő porozitás biztosítása a tömegközlekedéshez, revaszkularizáció, oszteoindukció és oszteokondukció) . További biokompatibilitási jellemzőknek is meg kell felelniük a biomateriális állványokon, beleértve az immunogenitás és a toxicitás hiányát. Ezenkívül az állványok a felület funkcionalizálásával fokozhatók, hogy affinitást váltsanak ki a sejtkötéshez és a sejtek válaszának interaktív modulációjához, és különböző bioaktív molekulák lokalizált, ellenőrzött szállítására tervezhetők.
az állványok származhatnak natív szövetekből és biológiai polimerekből és / vagy szintetikus polimerekből, és különféle hagyományos technikákkal állíthatók elő (áttekintve ). Ezen technikák közül a szilárd szabad formájú gyártás (SFF) különféle előnyöket kínál az állványforma és a belső architektúra tökéletes vezérlésének lehetővé tételében, a csonthiba orvosi képvezérelt 3D modellezésén alapulva . A közelmúltban a 3D-bioprintelést lehetővé tette az alacsony hőmérsékletű, nagy felbontású, több injektoros 3D nyomtatási rendszerek kereskedelmi elérhetősége, amelyeket eredetileg gyors prototípus-alkalmazásokhoz fejlesztettek ki. Ezt a technológiát sikeresen adaptálták a csontszövet-tervezéshez biokompatibilis és osteoinduktív kalcium-foszfát porral és biokompatibilis kötőanyaggal a betegspecifikus állványok CT-vezérelt 3D nyomtatásához . A színes 3D nyomtató többinjektoros képességei potenciálisan lehetővé teszik biofaktorok és molekulák kombinációinak beágyazását az állványba térbeli vezérléssel, ami vonzó lehet olyan forgatókönyvekben, amelyek térbeli időbeli ellenőrzést igényelhetnek a felszabadulási kinetika felett. A csontszövet-mérnöki állványok közelmúltbeli áttekintése azonban sötét képet festett a terület transzlációs fejlődéséről , amely továbbra is tele van az állványok tervezésének, gyártásának és funkcionalizálásának technikai kihívásaival, a szabályozási jóváhagyási akadályokkal, a réspiacok azonosításával kapcsolatos üzleti kihívásokkal és a vállalkozás fenntartásához szükséges nagy kezdeti beruházások generálásával a hosszú távú szabályozási folyamat révén, valamint a szellemi tulajdon (IP) életciklusával kapcsolatos kérdésekkel, amelyeknek elég hosszú ideig meg kell védeniük a terméket a szabályozási folyamaton túl, hogy megtérüljenek a befektetés, és hogy ezek a termékek kereskedelmi szempontból életképes.
a biofaktorok és molekulák szállítása megváltoztathatja a sejtjelzést a defektus környezetben, és kimutatták, hogy befolyásolja a regeneráció kimenetelét. A szövettechnika népszerű paradigmája azt sugallja, hogy a fejlődési tényezők és a jelátvitel újraaktiválása szükséges lehet az elveszett felnőtt szövet valódi regenerációjához . Nem világos azonban, hogy a komplex fejlődési jelátviteli gradienseket és kaszkádokat hűen kell-e vagy lehet-e replikálni a szülés utáni szövetjavítás során. Függetlenül attól, hogy a mozgásszervi rendszer fejlődési biológiájának, pontosabban az endokondrális és intramembranos csontképződésnek az embrióban való megértése rengeteg információt nyújt számunkra a tényezőkről, amelyek egyénileg alkalmazva fokozhatják a csontregenerációt. Ez utóbbi, egyszerűbb megközelítés előnyösebb a terápiás fordításhoz.
példa erre a csont morfogenetikus fehérjék (BMP) felfedezése, amelyeket Marshall Urist fedezett fel, és osteoinduktív tulajdonságaik miatt ismertek . Alapvető tudományos vizsgálatok transzgenikus egerekkel, amelyekben az egyes BMP-ket szelektíven kiütötték a végtag csontvázából, a BMP-2-t kritikus tényezőként azonosították a csont veleszületett regenerációs képességében . A rekombináns humán BMP-2 abszorbeálható kollagén szivacs (ACS) hordozón történő kombinációja a preklinikai és klinikai vizsgálatok egyik legtöbbet tanulmányozott rendszere, és az egyik legjelentősebb terápiás ortopédiai felfedezés . Az 1 .szintű klinikai vizsgálati adatok alátámasztásával az rhBMP-2/ACS (INFUSE ons) az írás idején kereskedelmi forgalomban kapható három Food and Drug Administration (FDA) által jóváhagyott klinikai indikációhoz, beleértve a gerincfúziót, nyitott tibialis töréseket intermedulláris (IM) körömrögzítéssel, orális és maxillofacialis augmentációval (sinus augmentációk és alveoláris gerinc augmentációk az extrakciós aljzatokkal kapcsolatos hibák esetén). Az INFUSE Csonttranszplantátumok hatékonysága azonban a BMP-2 szuprafiziológiai koncentrációját igényli, és számos nemkívánatos eseményt jelentettek az FDA-nál, és az irodalomban jóváhagyott indikációkban és off-label alkalmazásokban jelentették . Ezért a BMP-2 hatásos dózisainak (és talán más osteogen és vasculogen faktorok) azonosítása a kritikus csontdefektusok regenerálására, lehetőleg tolerálható és szubklinikai mellékhatásokkal, továbbra is gyakori kihívás a szövetregenerációs közösség számára.
izgalmas kilátás volt a szisztémás hormonok terápiás értékének felfedezése, mint pl mellékpajzsmirigy hormon (PTH) a törésjavításban és a kritikus diaphysealis hibák szöveti tervezése preklinikai modellekben . Ez a szisztémás szállítási megközelítés leküzdheti a helyi szállítással kapcsolatos kihívásokat, de továbbra is klinikailag validált.
összefoglalva, a hagyományos szövetmérnöki triád minden egyes alkotóeleme (sejtek, Állványok és biofaktorok) egyedi kihívásokkal jár. Ezeknek a kompozit konstrukcióknak a funkcionális szövetpótlókká történő optimalizálását általában empirikusan végzik laboratóriumi ex vivo sejt-és szövettenyésztési modellek, valamint in vivo preklinikai állatmodellek alkalmazásával. Ez a megközelítés azonban nehéz akadályokkal szembesült a padról az ágyra történő fordítás előtt. Egy háromkomponensű gyógyászati terméknek legalább 3ni lehetséges kombinációja lenne független változók (ahol ni a háromkomponensű termék i-edik összetevőjéhez kapcsolódó lehetséges változók száma), ami lehetetlenné teszi a kísérleti mátrix tesztelésének megvalósíthatóságát egy átfogó vizsgálatban. Ez a területen elért előrelépéseket csak a növekményes felfedezésekre korlátozta, annak ellenére, hogy izgalmas fejlesztésekről és áttörő technológiákról számoltak be kis állat-és preklinikai modellekben. A többkomponensű csontregeneráló termékek szabályozási követelményei akadályozták és továbbra is lassítják a klinikai transzlációt. Ennek ellenére innovatív’ point-of-care ‘ regeneratív megközelítések, amelyeket a szövettechnikai paradigma vezetett a klinikai szakirodalomban figyelemre méltó korai sikerekkel számoltak be.
