cellen, Scaffolds en Biofactoren: van functionele naar translationele Weefselengineering
regeneratieve geneeskunde benaderingen gebaseerd op engineering cellen en biomaterial scaffolds in ‘reserveonderdelen’ weefsels beloven de toekomst van reconstructieve chirurgie en orgaantransplantatie vorm te geven. Tot op heden blijft het gebruik van groeiende functionele gemanipuleerde weefsels in vitro voor latere implantatie in weefseldefecten in vivo experimenteel, ondanks enkele vroege klinische successen . Bij deze aanpak worden combinaties van cellen en bioactieve moleculen gezaaid op driedimensionale biomaterial scaffolds
cellen kunnen worden opgehaald uit verschillende bronnen, waaronder embryonale stamcellen, postnatale en volwassen stam/voorlopercellen, of de meest recent ontdekte geïnduceerde pluripotente stamcellen (IPS). De gemeenschappelijke benadering in gebouwde weefselregeneratie is geweest om cellen van weefselbiopten of aspiraten te isoleren, hen te manipuleren en hen opnieuw in de gastheer te introduceren . Voor botregeneratie zijn meerdere celbronnen onderzocht, waaronder verse beenmergaspiraten. ; gezuiverd, cultuur-geëxpandeerd beenmerg mesenchymale stam / voorlopercellen, osteoblasten en cellen die genetisch gemodificeerd zijn om osteogene factoren zoals rhBMP , navelstrengbloedcellen , vet afgeleide stam/voorlopercellen , of embryonale stamcellen tot expressie te brengen . Waargenomen voor-en nadelen van deze celbronnen in botweefsel engineering zijn onlangs herzien .
een van de belangrijkste uitdagingen van celtransplantatie is de kosten en complexiteit die gepaard gaan met de ontwikkeling van experimentele strategieën tot wettelijk goedgekeurde producten. Intra-operatieve celverwerking, hoewel immuun voor Wettelijke goedkeuring, kan alleen dienen als een point-of-care service voor een patiënt per keer. Zodra de cellen worden gemanipuleerd off-site, wettelijke goedkeuring is automatisch vereist. Celtransplantatie heeft een aantal belemmeringen voor klinische vertaling ondervonden, waaronder mogelijke immuunafstoting voor niet-autologe cellen, pathogeentransmissie, potentiële tumorgenese, kosten in verband met verpakking, opslag en verzending, houdbaarheid en terughoudendheid van artsen en verzekeringen bij klinische adoptie . De overleving van de cel in de gastheer is ook een onrustige kwestie, ongeacht de celbron, en er is debat over of de getransplanteerde cellen regeneratief per se zijn of eenvoudig als pleiotrope bron van factoren en signalen, vooral in hun capaciteit handelen om ontsteking te regelen . Deze barrières zullen uitdagingen blijven voor de implementatie van gemanipuleerde bot als klinische behandeling in de nabije toekomst. Een alternatief paradigma is het activeren van endogene stamcellen om deel te nemen aan botregeneratie. Een voorbeeld hiervan zijn periostale voorlopercellen, die door letsel worden geactiveerd en een onmisbare rol spelen bij het herstellen van breuken . Of de eenvoudige mobilisatie en homing van endogene stamcellen op de defectlocatie voldoende zal zijn voor regeneratie en voordelen zal hebben ten opzichte van exogene celtransplantatie, moet nog worden bewezen.
De Assemblage van de cellen tot de vereiste driedimensionale (3D) vorm van het botdefect vereist een biomateriaal van een steiger dat de cellen levert en vasthoudt en mogelijk de inductie van weefselregeneratie stimuleert en begeleidt. De minimale vereisten van biomaterial scaffolds in aanvulling op het onderhoud van Vorm (3D-vorm en grootte) omvatten fixatie (het beveiligen van de bevestiging aan het gastheer bot en minimalisatie micro-beweging), functie (instelling van tijdelijke of permanente mechanische dragende), en Vorming (het verstrekken van geschikte porositeit voor massatransport, revascularisatie, osteoinductie en osteoconductie) . Er moet ook worden voldaan aan aanvullende biocompatibiliteitskenmerken in biomateriale steigers, waaronder het gebrek aan immunogeniciteit en toxiciteit. Voorts kunnen de steigers door oppervlakte functionalizing worden verbeterd om affiniteit aan celband en interactieve modulatie van de reactie van de cellen op te wekken, en voor gelokaliseerde, gecontroleerde levering van diverse bioactieve molecules worden ontworpen.
steigers kunnen afkomstig zijn van inheemse weefsels en biologische polymeren en/of synthetische polymeren en kunnen worden vervaardigd met behulp van een verscheidenheid aan conventionele technieken (beoordeeld in ). Onder deze technieken, solid freeform fabrication (SFF) biedt duidelijke voordelen in het mogelijk maken van uitstekende controle van de steiger vorm en interne architectuur op basis van medische beeld-geleide 3D modellering van het botdefect . Onlangs werd 3D-bioprinting mogelijk gemaakt door de commerciële beschikbaarheid van multi-injector 3D-printsystemen met lage temperatuur, hoge resolutie, die oorspronkelijk werden ontwikkeld voor rapid prototyping-toepassingen. Deze technologie is met succes aangepast voor botweefsel engineering met biocompatibel en osteoinductief calciumfosfaat poeder en biocompatibel bindmiddel systeem voor CT-geleide 3D printen van patiënt-specifieke steigers . De multi-injector mogelijkheden van een gekleurde 3D printer mogelijk toestaan de inbedding van combinaties van biofactoren en moleculen binnen de steiger met ruimtelijke controle, die aantrekkelijk kan zijn in scenario ‘ s die spatiotemporal controle over release kinetica zou kunnen vereisen. Echter, een recente review van steigers voor bone tissue engineering schildert een somber beeld voor translationeel voortgang van het veld , die nog steeds vol met technische uitdagingen van het ontwerpen, produceren, en functionalizing steigers, goedkeuring barrières, uitdagingen met betrekking tot vergader-het identificeren van niche markten en het genereren van grote initiële investeringen die nodig zijn om te ondersteunen de business door middel van het lang uitgesponnen het regelgevend proces en intellectuele eigendom (IP -) levenscyclus van de problemen die moeten voorkomen dat het product lang genoeg buiten het regelgevende proces terugverdienen van de investeringen en deze producten commercieel levensvatbaar te maken.
levering van biofactoren en moleculen kan de celsignalering in het defectmilieu veranderen en is aangetoond dat het de uitkomst van regeneratie beïnvloedt. Een populair paradigma in weefselengineering stelt voor dat het reactiveren van ontwikkelingsfactoren en het signaleren voor ware regeneratie van het verloren volwassen weefsel noodzakelijk zou kunnen zijn . Het is echter onduidelijk of de complexe ontwikkeling signalerende gradiënten en cascades moeten of kunnen getrouw worden gerepliceerd in postnatale weefselreparatie. Hoe dan ook, ons begrip van de ontwikkelingsbiologie van het musculoskeletale systeem, en meer specifiek endochondrale en intramembraneuze botvorming in het embryo geeft ons een overvloed aan informatie over factoren, die bij individuele toepassing botregeneratie kunnen verbeteren. Deze laatste, eenvoudigere aanpak verdient de voorkeur voor therapeutische vertaling.
een voorbeeld hiervan is de ontdekking van botmorfogenetische eiwitten (BMP), die werden ontdekt door Marshall Urist en aangeprezen voor hun osteoinductieve eigenschappen . De fundamentele wetenschappelijke studies gebruikend transgene muizen waarin individuele BMP ‘ s selectief uit het ledemaatskelet zijn knock-out hebben bmp-2 als kritieke factor in het aangeboren regeneratieve vermogen van bot geà dentificeerd . De combinatie van recombinant humaan BMP-2 op een absorbeerbare drager van collageenspons (ACS) is een van de meest bestudeerde systemen in preklinisch en klinisch onderzoek en vertegenwoordigt een van de belangrijkste therapeutische orthopedische ontdekkingen . Met ondersteunende klinische onderzoeksgegevens van niveau 1 is rhBMP-2/ACS (INFUSE® Bone Graft) op het moment van dit schrijven in de handel verkrijgbaar voor drie door de FDA goedgekeurde klinische indicaties waaronder spinale fusie, open tibiale fracturen met een intermedullaire (IM) nagelfixatie, orale en maxillofaciale augmentatie (sinusvergroting en alveolaire rugvergroting voor defecten geassocieerd met extractie sockets). De werkzaamheid van INFUSE bottransplantaten vereist echter suprafysiologische concentraties van BMP-2, en tal van bijwerkingen zijn bij de FDA ingediend en gerapporteerd in de literatuur bij goedgekeurde indicaties en off-label toepassingen . Daarom blijft de identificatie van effectieve doses van BMP-2 (en misschien andere osteogene en vasculogene factoren) voor de regeneratie van kritieke botafwijkingen, bij voorkeur met verdraagbare en subklinische bijwerkingen, een gemeenschappelijke uitdaging voor de weefselregeneratiegemeenschap.
een interessant vooruitzicht was de ontdekking van de therapeutische waarde van systemische hormonen zoals parathyroïdhormoon (PTH) in fractuurherstel en weefselmanipulatie van kritische diafysaire defecten in preklinische modellen . Deze systemische benadering van de bevalling kan de uitdagingen in verband met de lokale bevalling overwinnen, maar moet nog klinisch worden gevalideerd.
kortom, elk van de afzonderlijke componenten van de conventionele tissue-engineering triade (cellen, steigers en biofactoren) brengt unieke sets uitdagingen met zich mee. De optimalisatie van deze samengestelde constructies in functionele weefselvervangers, wordt typisch empirisch uitgevoerd in het laboratorium ex vivo gebruikend cel en weefselkweekmodellen en in vivo gebruikend preklinische diermodellen. Deze aanpak heeft echter te kampen gehad met moeilijke belemmeringen voor de vertaling van de bank naar het bed. Een medisch product met drie componenten zou ten minste 3ni mogelijke combinaties van onafhankelijke variabelen hebben (waarbij ni het aantal mogelijke variabelen is die geassocieerd zijn met de IDE component van het product met drie componenten), wat de haalbaarheid van het testen van de experimentele matrix in een uitgebreid onderzoek onmogelijk maakt. Dit heeft de vooruitgang op het gebied beperkt tot slechts incrementele ontdekkingen, ondanks opwindende ontwikkelingen en baanbrekende technologieën die in kleine dierlijke en preklinische modellen zijn gemeld. De wettelijke vereisten van de multicomponente botregeneratieproducten hebben de klinische vertaling belemmerd en blijven vertragen. Niettemin zijn innovatieve ‘point-of-care’ regeneratieve benaderingen geleid door het weefsel engineering paradigma gemeld in de klinische literatuur met opmerkelijke vroege successen.
