komórki, rusztowania i Biofaktory: od funkcjonalnej do Translacyjnej inżynierii tkankowej

medycyna regeneracyjna podejścia oparte na inżynierii komórek i rusztowań biomateriałowych w „części zapasowe” tkanki obiecują kształtować przyszłość chirurgii rekonstrukcyjnej i transplantacji narządów. Do tej pory, pomimo pewnych wczesnych sukcesów klinicznych, wykorzystanie rosnących, funkcjonalnych tkanek in vitro do późniejszego wszczepienia w ubytki tkanek in vivo pozostaje eksperymentalne . W tym podejściu kombinacje komórek i cząsteczek bioaktywnych są umieszczane na trójwymiarowych rusztowaniach biomateriałowych

komórki mogą być pobierane z różnych źródeł, w tym embrionalnych komórek macierzystych, postnatalnych i dorosłych komórek macierzystych/progenitorowych lub ostatnio odkrytych indukowanych pluripotencjalnych komórek macierzystych (IPS). Powszechnym podejściem w inżynierii regeneracji tkanek było izolowanie komórek z biopsji tkanek lub aspiracji, manipulowanie nimi i ponowne wprowadzenie ich do gospodarza . W celu regeneracji kości badano wiele źródeł komórek, w tym aspiraty świeżego szpiku kostnego ; oczyszczone, rozwijane w hodowli mezenchymalne komórki macierzyste/progenitorowe szpiku kostnego, osteoblasty i komórki zmodyfikowane genetycznie w celu ekspresji czynników osteogennych , takich jak rhBMP , komórki krwi pępowinowej , komórki macierzyste/progenitorowe pochodzące z tkanki tłuszczowej lub zarodkowe komórki macierzyste . Postrzegane zalety i wady tych źródeł komórek w inżynierii tkanki kostnej zostały niedawno zweryfikowane .

jednym z kluczowych wyzwań transplantacji komórek jest koszt i złożoność związana z rozwojem strategii eksperymentalnych do produktów zatwierdzonych przez przepisy. Wewnątrzoperacyjne przetwarzanie komórek, choć nie podlega zatwierdzeniu przez regulatory, może służyć tylko jako punkt opieki dla jednego pacjenta na raz. Gdy komórki są manipulowane poza zakładem, wymagane jest automatyczne zatwierdzenie regulacyjne. Przeszczep komórek napotkał szereg barier w kierunku klinicznego tłumaczenia, w tym potencjalne odrzucenie immunologiczne dla komórek nieautologicznych, przenoszenie patogenów, potencjalna tumorigeneza, koszty związane z pakowaniem, przechowywaniem i wysyłką, okres przydatności do spożycia i niechęć lekarzy oraz ubezpieczenie w zakresie adopcji klinicznej . Przetrwanie komórek u gospodarza jest również nierozstrzygniętym problemem, niezależnie od źródła komórki, i toczy się debata na temat tego, czy przeszczepione komórki są regeneracyjne per se, czy po prostu działają jako plejotropowe źródło czynników i sygnałów, zwłaszcza w ich zdolności do regulowania stanu zapalnego . Bariery te będą nadal stanowić wyzwanie dla wdrożenia inżynierii Kości jako leczenia klinicznego w dającej się przewidzieć przyszłości. Alternatywnym paradygmatem jest aktywacja endogennych komórek macierzystych do udziału w regeneracji kości. Przykładem są komórki progenitorowe okostnej, które są aktywowane przez uszkodzenie i odgrywają niezbędną rolę w naprawie złamań . Czy prosta mobilizacja i naprowadzanie endogennych komórek macierzystych do miejsca defektu wystarczy do regeneracji i mają przewagę nad egzogennym przeszczepem komórek pozostaje do udowodnienia.

montaż komórek w wymaganą trójwymiarową (3D) formę wady kości wymaga biomateriału rusztowania, który dostarcza i zatrzymuje komórki, a także potencjalnie stymuluje i kieruje ich indukcją regeneracji tkanek. Minimalne wymagania dla rusztowań biomateriałowych oprócz podtrzymywania formy (kształt i rozmiar 3D) obejmują mocowanie (zabezpieczanie mocowania do kości gospodarza i minimalizacja mikro-ruchu), funkcję (ustanowienie tymczasowego lub stałego obciążenia mechanicznego) i tworzenie (zapewnienie odpowiedniej porowatości do transportu masy, rewaskularyzacji, osteoindukcji i osteokondukcji) . Dodatkowe cechy biokompatybilności muszą być również spełnione w rusztowaniach biomateriałowych, w tym brak immunogenności i toksyczności. Ponadto, rusztowania mogą być wzmocnione przez funkcjonalizację powierzchni w celu wywołania powinowactwa do wiązania komórek i interaktywnej modulacji odpowiedzi komórek i mogą być zaprojektowane do zlokalizowanego, kontrolowanego dostarczania różnych bioaktywnych cząsteczek.

rusztowania mogą pochodzić z tkanek rodzimych i polimerów biologicznych i/lub polimerów syntetycznych i mogą być wytwarzane przy użyciu różnych konwencjonalnych technik (recenzja w ). Wśród tych technik, solid freeform fabrication (SFF) oferuje wyraźne korzyści w umożliwieniu doskonałej kontroli formy rusztowania i architektury wewnętrznej w oparciu o Medyczne Modelowanie 3D defektu kości . Ostatnio, 3D-bioprinting został umożliwiony przez komercyjną dostępność niskotemperaturowych, wysokiej rozdzielczości, wielotryskiwaczy systemów druku 3D, które zostały pierwotnie opracowane do zastosowań szybkiego prototypowania. Technologia ta została z powodzeniem dostosowana do inżynierii tkanki kostnej z biokompatybilnym i osteoindukcyjnym proszkiem fosforanu wapnia i biokompatybilnym systemem spoiwa do drukowania 3D rusztowań specyficznych dla pacjenta pod kierunkiem CT . Możliwości wielu wtryskiwaczy kolorowej drukarki 3D potencjalnie umożliwiają osadzanie kombinacji biofaktorów i cząsteczek w rusztowaniu z kontrolą przestrzenną, co może być atrakcyjne w scenariuszach, które mogą wymagać kontroli przestrzennej nad kinetyką uwalniania. Jednak niedawny przegląd rusztowań dla inżynierii tkanki kostnej namalował ponury obraz dla postępu translacyjnego w tej dziedzinie, który pozostaje pełen wyzwań technicznych związanych z projektowaniem, produkcją i funkcjonalizacją rusztowań, barier regulacyjnych, wyzwań biznesowych związanych z identyfikacją rynków niszowych i generowaniem dużych początkowych inwestycji niezbędnych do utrzymania firmy w długotrwałym procesie regulacyjnym oraz problemów związanych z cyklem życia własności intelektualnej (IP), które muszą chronić produkt wystarczająco długo poza procesem regulacyjnym, aby odzyskać korzyści. inwestycji i sprawiają, że produkty te są opłacalne komercyjnie.

dostarczanie biofaktorów i cząsteczek może zmieniać sygnalizację komórkową w środowisku defektu i wykazano, że wpływa na wynik regeneracji. Popularny paradygmat w inżynierii tkankowej sugeruje, że reaktywacja czynników rozwojowych i sygnalizacja mogą być niezbędne do prawdziwej regeneracji utraconej tkanki dorosłej . Nie jest jednak jasne, czy złożone gradienty i kaskady sygnalizacji rozwoju muszą lub mogą być wiernie replikowane w naprawie tkanek poporodowych. Niezależnie od tego, nasze zrozumienie biologii rozwoju układu mięśniowo-szkieletowego, a dokładniej endochondralnego i śródbłonkowego tworzenia kości w zarodku dostarcza nam mnóstwa informacji na temat czynników, które po zastosowaniu pojedynczym mogą zwiększyć regenerację kości. To ostatnie, prostsze podejście jest korzystne dla tłumaczenia terapeutycznego.

przykładem jest odkrycie białek morfogenetycznych kości (BMP), które zostały odkryte przez Marshalla Urista i reklamowane ze względu na ich właściwości osteoindukcyjne . Podstawowe badania naukowe z wykorzystaniem transgenicznych myszy, u których pojedyncze BMP zostały wybiórczo wybite ze szkieletu kończyny, zidentyfikowały BMP-2 jako krytyczny czynnik w wrodzonej zdolności regeneracyjnej kości . Połączenie rekombinowanego ludzkiego BMP – 2 na nośniku wchłanialnej gąbki kolagenowej (ACS) było jednym z najlepiej przebadanych systemów w badaniach przedklinicznych i klinicznych i stanowi jedno z najważniejszych odkryć terapeutycznych ortopedycznych . Dzięki potwierdzającym dane z badań klinicznych poziomu 1, rhBMP-2 / ACS (INFUSE® Bone Graft) jest dostępny w handlu, w momencie pisania tego tekstu, dla trzech zatwierdzonych przez Food and Drug Administration (FDA) wskazań klinicznych, w tym fuzji kręgosłupa, otwartych złamań piszczelowych z międzymedularnym (IM) utrwalaniem paznokci, augmentacji jamy ustnej i szczękowo-twarzowej (augmentacje zatok i augmentacje wyrostka zębodołowego w przypadku wad związanych z gniazdami ekstrakcyjnymi) . Jednak skuteczność przeszczepów kostnych z infuzją wymaga suprafizjologicznych stężeń BMP-2, a liczne zdarzenia niepożądane zostały zgłoszone przez FDA i zgłoszone w literaturze w zatwierdzonych wskazaniach i zastosowaniach poza etykietą . Dlatego identyfikacja skutecznych dawek BMP-2 (i być może innych czynników osteogennych i naczyniowych) do regeneracji krytycznych wad kości, korzystnie z tolerowanymi i subklinicznymi skutkami ubocznymi, pozostaje powszechnym wyzwaniem dla społeczności regeneracji tkanek.

ekscytującą perspektywą było odkrycie wartości terapeutycznej hormonów ogólnoustrojowych, takich jak hormon przytarczyc (PTH) w naprawie złamań i inżynierii tkankowej krytycznych wad obocznych w modelach przedklinicznych . To systemowe podejście do porodu może przezwyciężyć wyzwania związane z porodem lokalnym, ale pozostaje do potwierdzenia klinicznie.

podsumowując, każdy z poszczególnych składników konwencjonalnej triady inżynierii tkankowej (komórki, rusztowania i biofaktory) przynosi unikalne zestawy wyzwań. Optymalizacja tych złożonych konstruktów do funkcjonalnych substytutów tkanek jest zazwyczaj przeprowadzana empirycznie w laboratorium ex vivo z wykorzystaniem modeli hodowli komórkowych i tkankowych oraz In vivo z wykorzystaniem przedklinicznych modeli zwierzęcych. Jednak takie podejście napotykało na trudne bariery w przenoszeniu z ławki na łóżko. Trójskładnikowy produkt medyczny miałby co najmniej 3ni możliwych kombinacji zmiennych niezależnych (gdzie ni jest liczbą możliwych zmiennych związanych z i-tym składnikiem produktu trójskładnikowego), co sprawia, że wykonalność testowania macierzy eksperymentalnej w kompleksowym badaniu jest niemożliwa. Ograniczyło to postępy w tej dziedzinie do jedynie odkryć przyrostowych, pomimo ekscytujących osiągnięć i przełomowych technologii, które zostały zgłoszone w modelach małych zwierząt i przedklinicznych. Wymogi regulacyjne dotyczące wieloskładnikowych produktów do regeneracji kości utrudniły i nadal spowalniają tłumaczenie kliniczne. Niemniej jednak, innowacyjne metody regeneracyjne „point-of-care” kierowane przez paradygmat inżynierii tkankowej zostały zgłoszone w literaturze klinicznej z niezwykłymi początkowymi sukcesami.