Celler, Stillas Og Biofaktorer: Fra Funksjonell Til Translasjonell Vevsteknikk

Regenerativ medisin tilnærminger basert på ingeniørceller og biomaterial stillas i ‘reservedel’ vev lover å forme fremtiden for rekonstruktiv kirurgi og organtransplantasjon. Til dags dato forblir bruk av voksende funksjonelt konstruert vev in vitro for etterfølgende implantasjon i vevsdefekter in vivo eksperimentell, til tross for noen tidlige kliniske suksesser . I denne tilnærmingen blir kombinasjoner av celler og bioaktive molekyler sådd på tredimensjonale biomaterialestillas

Celler kan hentes fra en rekke kilder, inkludert embryonale stamceller, postnatale og voksne stamceller/ stamceller, eller de nylig oppdagede induserte pluripotente stamceller (iPS). Den vanlige tilnærmingen i konstruert vevregenerering har vært å isolere celler fra vevsbiopsier eller aspirater, manipulere dem og gjeninnføre dem i verten . For beinregenerering har flere cellekilder blitt undersøkt, inkludert ferske benmargsaspirater ; renset, kultur-utvidet benmarg mesenkymale stamceller / stamceller , osteoblaster og celler som har blitt modifisert genetisk for å uttrykke osteogene faktorer som rhBMP, navlestrengsblodceller , adipose-avledede stamceller / stamceller eller embryonale stamceller . Oppfattede fordeler og ulemper ved disse cellekildene i benvevsteknikk har nylig blitt gjennomgått .En av de sentrale utfordringene ved celletransplantasjon er kostnadene og kompleksiteten forbundet med utviklingen av eksperimentelle strategier i regulatoriske godkjente produkter. Intra-operativ cellebehandling, mens immun mot regulatorisk godkjenning, kan bare tjene som en behandlingstjeneste for en pasient om gangen. Når cellene er manipulert av nettstedet, kreves regulatorisk godkjenning automatisk. Celletransplantasjon har møtt en rekke barrierer mot klinisk oversettelse, inkludert potensiell immunavstøtning for ikke-autologe celler, patogenoverføring, potensiell tumorigenese, kostnader forbundet med emballasje, lagring og frakt, holdbarhet og motvilje mot leger og forsikring ved klinisk adopsjon . Celleoverlevelse i verten er også et ubestemt problem, uavhengig av cellekilden, og det er debatt om de transplanterte cellene er regenerative i seg selv eller bare fungerer som en pleiotropisk kilde til faktorer og signaler, spesielt i deres evne til å regulere betennelse . Disse barrierene vil fortsatt være utfordringer for implementering av konstruert bein som en klinisk behandling i overskuelig fremtid. Et alternativt paradigme er å aktivere endogene stamceller for å delta i beinregenerering. Et tilfelle i punkt er periosteal progenitors celler, som aktiveres av skade og spiller en uunnværlig rolle i bruddreparasjon . Hvorvidt enkel mobilisering og homing av endogene stamceller til defektstedet vil være tilstrekkelig for regenerering og ha fordeler over eksogen celletransplantasjon gjenstår å bli bevist.samlingen av cellene i den nødvendige tredimensjonale (3D) formen av bendefekten krever et stillasbiomateriale som leverer og beholder cellene, og potensielt stimulerer og styrer deres induksjon av vevregenerering. Minimumskravene til biomaterial stillas i tillegg Til næring Av Form (3D form og størrelse) inkluderer Fiksering (sikring av vedlegget til vertsbenet og minimering av mikrobevegelse), Funksjon (etablering av midlertidig eller permanent mekanisk lastbærende) og Dannelse (tilveiebringelse av passende porøsitet for massetransport, revaskularisering, osteoinduksjon og osteokonduksjon) . Ytterligere biokompatibilitetskarakteristikker må også oppfylles i biomaterial stillaser, inkludert mangel på immunogenitet og toksisitet. Videre kan stillaser forbedres ved overflatefunksjonalisering for å fremkalle affinitet til cellebinding og interaktiv modulering av cellens respons, og kan utformes for lokalisert, kontrollert levering av forskjellige bioaktive molekyler.Stillas Kan stamme fra innfødte vev og biologiske polymerer og / eller syntetiske polymerer, og kan fremstilles ved hjelp av en rekke konvensjonelle teknikker (omtalt i ). Blant disse teknikkene tilbyr solid freeform fabrication (sff) klare fordeler ved å muliggjøre utsøkt kontroll av stillasformen og intern arkitektur basert på medisinsk bildestyrt 3D-modellering av bendefekten . NYLIG har 3d-bioprinting blitt aktivert av den kommersielle tilgjengeligheten av 3d-utskriftssystemer med lav temperatur, høy oppløsning, som opprinnelig ble utviklet for rask prototyping. Denne teknologien har blitt vellykket tilpasset for beinvevsteknikk med biokompatibelt og osteoinduktivt kalsiumfosfatpulver og biokompatibelt bindemiddelsystem for CT-styrt 3D-utskrift av pasientspesifikke stillaser . Multiinjektoregenskapene til en farget 3d-skriver tillater potensielt innebygging av kombinasjoner av biofaktorer og molekyler i stillaset med romlig kontroll, noe som kan være attraktivt i scenarier som kan kreve romlig kontroll over frigjøringskinetikk. En nylig gjennomgang av stillas for bone tissue engineering har imidlertid malt et dystert bilde for translasjonell fremgang i feltet, som fortsatt er riddled med tekniske utfordringer med å designe, produsere og funksjonalisere stillas, regulatoriske godkjenningsbarrierer, forretningsutfordringer knyttet til å møte identifiserende nisjemarkeder og generere store innledende investeringer som er nødvendige for å opprettholde virksomheten gjennom den langvarige regulatoriske prosessen og livssyklusproblemer for immaterielle rettigheter (IP) som må beskytte produktet lenge nok utover den regulatoriske prosessen for å hente inn investeringer og gjøre disse produktene kommersielt levedyktige.Levering av biofaktorer og molekyler kan endre cellesignalering i defektmiljøet og har vist seg å påvirke utfallet av regenerering. Et populært paradigme i vevsteknikk antyder at reaktivering av utviklingsfaktorer og signalering kan være nødvendig for sann regenerering av det tapte voksenvevet . Det er imidlertid uklart om de komplekse utviklingsmessige signalgradienter og kaskader må eller kan replikeres trofast i postnatal vevsreparasjon. Uansett gir vår forståelse av utviklingsbiologien til muskel-skjelettsystemet, og mer spesifikt endokondral og intramembranøs beindannelse i embryoet oss en mengde informasjon om faktorer, som når de brukes individuelt, kan forbedre beinregenerering. Denne sistnevnte, enklere tilnærming er å foretrekke for terapeutisk oversettelse.et eksempel har vært oppdagelsen av benmorfogenetiske proteiner (bmp), som Ble oppdaget Av Marshall Urist og spioneringen for deres osteoinduktive egenskaper . Grunnleggende vitenskapsstudier ved hjelp av transgene mus der individuelle Bmp har blitt selektivt slått ut fra lemskjelettet, har identifisert BMP-2 som en kritisk faktor i den medfødte regenerative kapasiteten til bein . Kombinasjonen av rekombinant human bmp-2 på EN absorberbar kollagensvamp (ACS) bærer har vært et av de mest studerte systemene i prekliniske og kliniske undersøkelser, og representerer en av de mest signifikante terapeutiske ortopediske funnene . Med støtte for data fra kliniske studier på nivå 1, er rhBMP-2/ACS (INFUSE® Bone Pode) kommersielt tilgjengelig, på tidspunktet for denne skrivingen, for Tre Fda-godkjente kliniske indikasjoner, inkludert spinal fusjon, åpne tibial frakturer med intermedullær (IM) spikerfiksering, oral og maxillofacial augmentation (sinus augmentations, og alveolar ridge augmentations for defekter forbundet med ekstraksjonsstikk) . Effekten av INFUSE Bone Grafts krever imidlertid suprafysiologiske konsentrasjoner AV BMP-2, og mange bivirkninger har blitt arkivert HOS FDA og rapportert i litteraturen i godkjente indikasjoner og off-label bruksområder . Derfor er identifisering av effektive doser AV BMP-2 (og kanskje andre osteogene og vaskulogene faktorer) for regenerering av kritiske beindefekter, fortrinnsvis med tolerable og subkliniske bivirkninger, fortsatt en felles utfordring for vevregenereringsfellesskap.et spennende prospekt har vært oppdagelsen av den terapeutiske verdien av systemiske hormoner som parathyroidhormon (PTH) i bruddreparasjon og vevsteknikk av kritiske diafysefeil i prekliniske modeller . Denne systemiske leveringsmetoden kan overvinne utfordringene knyttet til lokal levering, men gjenstår å bli klinisk validert.for å oppsummere, hver av de enkelte komponentene i den konvensjonelle vevstekniske triaden (celler, stillas og biofaktorer) gir unike sett med utfordringer. Optimalisering av disse sammensatte konstruksjonene i funksjonelle vevsubstitutter, utføres typisk empirisk i laboratoriet ex vivo ved bruk av celle – og vevskulturmodeller og in vivo ved bruk av prekliniske dyremodeller. Denne tilnærmingen har imidlertid møtt vanskelige barrierer for oversettelse fra benken til sengen. Et tre-komponent medisinsk produkt ville ha minst 3ni mulige kombinasjoner av uavhengige variabler (hvor ni er antall mulige variabler knyttet til ith-komponenten i trekomponentproduktet), noe som gjør muligheten for å teste eksperimentell matrise i en omfattende undersøkelse umulig. Dette har begrenset fremskritt i feltet til bare inkrementelle funn, til tross for spennende utviklinger og banebrytende teknologier som er rapportert i smådyr og prekliniske modeller. De regulatoriske kravene til multikomponent benregenerasjonsprodukter har hindret og fortsetter å bremse klinisk oversettelse. Likevel har innovative ‘point-of-care’ regenerative tilnærminger styrt av vevsteknikkparadigmet blitt rapportert i den kliniske litteraturen med bemerkelsesverdige tidlige suksesser.