celler, byggnadsställningar och biofaktorer: från funktionell till translationell vävnadsteknik

regenerativa medicinmetoder baserade på tekniska celler och biomaterialställningar i ’reservdel’ vävnader lovar att forma framtiden för rekonstruktiv kirurgi och organtransplantation. Hittills är användningen av växande funktionella konstruerade vävnader in vitro för efterföljande implantation i vävnadsdefekter in vivo fortfarande experimentell, trots vissa tidiga kliniska framgångar . I detta tillvägagångssätt såddas kombinationer av celler och bioaktiva molekyler på tredimensionella biomaterialställningar

celler kan hämtas från en mängd olika källor, inklusive embryonala stamceller, postnatala och vuxna stamceller/stamceller, eller de senast upptäckta inducerade pluripotenta stamcellerna (iPS). Det gemensamma tillvägagångssättet i konstruerad vävnadsregenerering har varit att isolera celler från vävnadsbiopsier eller aspirerar, manipulera dem och återinföra dem i värden . För benregenerering har flera cellkällor undersökts, inklusive färska benmärgsaspirater ; renade, odlingsexpanderade benmärgsmesenkymala stamceller/stamceller , osteoblaster och celler som har modifierats genetiskt för att uttrycka osteogena faktorer som rhBMP , navelsträngsblodceller , adiposa härledda stamceller / stamceller eller embryonala stamceller . Upplevda fördelar och nackdelar med dessa cellkällor i benvävnadsteknik har nyligen granskats .

en av de viktigaste utmaningarna för celltransplantation är kostnaden och komplexiteten i samband med utvecklingen av experimentella strategier till regulatoriska godkända produkter. Intraoperativ cellbehandling, även om den är immun mot myndighetsgodkännande, kan endast fungera som en vårdtjänst för en patient i taget. När cellerna manipuleras utanför platsen krävs automatiskt godkännande. Celltransplantation har stött på ett antal hinder mot klinisk översättning, inklusive potentiell immunavstötning för icke-autologa celler, patogenöverföring, potentiell tumörgenes, kostnader i samband med förpackning, lagring och frakt, hållbarhet och motvilja hos läkare och försäkring vid klinisk adoption . Cellöverlevnad i värden är också en orolig fråga, oavsett cellkälla, och det diskuteras om de transplanterade cellerna är regenerativa i sig eller helt enkelt fungerar som en pleiotropisk källa till faktorer och signaler, särskilt i deras förmåga att reglera inflammation . Dessa hinder kommer att fortsätta att vara utmaningar för genomförandet av konstruerat ben som en klinisk behandling inom överskådlig framtid. Ett alternativt paradigm är att aktivera endogena stamceller för att delta i benregenerering. Ett typexempel är periosteala progenitors celler, som aktiveras av skada och spelar en oumbärlig roll i frakturreparation . Huruvida enkel mobilisering och homing av endogena stamceller till defektstället räcker för regenerering och har fördelar jämfört med exogen celltransplantation återstår att bevisa.

sammansättningen av cellerna i den erforderliga tredimensionella (3D) formen av bendefekten kräver ett ställningsbiomaterial som levererar och behåller cellerna och potentiellt stimulerar och styr deras induktion av vävnadsregenerering. Minimikraven för biomaterialställningar utöver näring av Form (3D-form och storlek) inkluderar fixering (säkring av fästet på värdbenet och minimering av mikrorörelse), funktion (etablering av tillfälligt eller permanent mekaniskt bärande) och bildning (tillhandahållande av lämplig porositet för masstransport, revaskularisering, osteoinduktion och osteokonduktion) . Ytterligare biokompatibilitetsegenskaper måste också uppfyllas i biomaterialställningar inklusive brist på immunogenicitet och toxicitet. Dessutom kan byggnadsställningar förbättras genom ytfunktionalisering för att framkalla affinitet till cellbindning och interaktiv modulering av cellernas svar och kan utformas för lokaliserad, kontrollerad leverans av olika bioaktiva molekyler.

ställningar kan härledas från inhemska vävnader och biologiska polymerer och/eller syntetiska polymerer, och kan tillverkas med användning av en mängd konventionella tekniker (granskas i ). Bland dessa tekniker erbjuder solid freeform fabrication (SFF) tydliga fördelar för att möjliggöra utsökt kontroll av byggnadsformen och intern arkitektur baserad på medicinsk bildstyrd 3D-modellering av bendefekten . Nyligen har 3D-bioprinting möjliggjorts av den kommersiella tillgängligheten av låg temperatur, hög upplösning, multi-injektor 3D-utskriftssystem, som ursprungligen utvecklades för snabba prototypapplikationer. Denna teknik har framgångsrikt anpassats för benvävnadsteknik med biokompatibelt och osteoinduktivt kalciumfosfatpulver och biokompatibelt bindemedelssystem för CT-styrd 3D-utskrift av patientspecifika ställningar . Multiinjektorfunktionerna hos en färgad 3D-skrivare möjliggör potentiellt inbäddning av kombinationer av biofaktorer och molekyler i ställningen med rumslig kontroll, vilket kan vara attraktivt i scenarier som kan kräva spatiotemporal kontroll över frisättningskinetik. En ny granskning av byggnadsställningar för benvävnadsteknik har dock målat en dyster bild för translationell framsteg på fältet, som fortfarande är riddled med tekniska utmaningar för att designa, tillverka och funktionalisera byggnadsställningar, regleringsgodkännandehinder, affärsutmaningar relaterade till att möta identifierande nischmarknader och generera stora initiala investeringar som är nödvändiga för att upprätthålla verksamheten genom den långvariga regleringsprocessen och immateriella rättigheter (IP) livscykelfrågor som måste skydda produkten tillräckligt länge bortom regleringsprocessen för att återhämta investeringar och göra dessa produkter kommersiellt gångbara.

leverans av biofaktorer och molekyler kan förändra cellsignalering i defektmiljön och har visat sig påverka resultatet av regenerering. Ett populärt paradigm inom vävnadsteknik antyder att reaktivering av utvecklingsfaktorer och signalering kan vara nödvändig för sann regenerering av den förlorade vuxna vävnaden . Det är emellertid oklart om de komplexa utvecklingssignalgradienterna och kaskaderna behöver eller kan replikeras troget vid reparation av postnatal vävnad. Oavsett, vår förståelse av utvecklingsbiologin i muskuloskeletala systemet, och mer specifikt endokondral och intramembranös benbildning i embryot ger oss en mängd information om faktorer, som när de appliceras individuellt kan förbättra benregenerering. Detta senare, enklare tillvägagångssätt är att föredra för terapeutisk översättning.

ett fall i punkt har varit upptäckten av benmorfogenetiska proteiner (BMP), som upptäcktes av Marshall Urist och tippad för deras osteoinduktiva egenskaper . Grundläggande vetenskapliga studier med transgena möss där enskilda BMP selektivt har slagits ut från benskelettet har identifierat BMP-2 som en kritisk faktor i benets medfödda regenerativa kapacitet . Kombinationen av rekombinant human BMP – 2 på en absorberbar kollagensvamp (ACS) bärare har varit ett av de mest studerade systemen i prekliniska och kliniska undersökningar och representerar en av de viktigaste terapeutiska ortopediska upptäckterna . Med stöd för nivå 1 kliniska prövningsdata är rhBMP-2/ACS (infusera bisexuell bentransplantat) kommersiellt tillgängligt, vid tidpunkten för detta skrivande, för tre Food and Drug Administration (FDA)-godkända kliniska indikationer inklusive spinalfusion, öppna tibialfrakturer med en intermedullär (IM) nagelfixering, oral och maxillofacial förstärkning (sinusförstärkningar och alveolära åsar för defekter associerade med extraktionsuttag) . Effekten av infusera bentransplantat kräver emellertid suprafysiologiska koncentrationer av BMP-2, och många biverkningar har lämnats in hos FDA och rapporterats i litteraturen i godkända indikationer och off-label-användningar . Därför är identifieringen av effektiva doser av BMP-2 (och kanske andra osteogena och vaskulogena faktorer) för regenerering av kritiska bendefekter, företrädesvis med tolererbara och subkliniska biverkningar, fortfarande en vanlig utmaning för vävnadsregenereringssamhället.

ett spännande perspektiv har varit upptäckten av det terapeutiska värdet av systemiska hormoner såsom parathyroidhormon (PTH) vid frakturreparation och vävnadsteknik av kritiska diaphyseala defekter i prekliniska modeller . Denna systemiska leveransmetod kan övervinna utmaningarna i samband med lokal leverans, men återstår att valideras kliniskt.

Sammanfattningsvis ger var och en av de enskilda komponenterna i den konventionella vävnadstekniska triaden (celler, byggnadsställningar och biofaktorer) unika uppsättningar utmaningar. Optimering av dessa sammansatta konstruktioner till funktionella vävnadsersättningar utförs vanligtvis empiriskt i laboratoriet ex vivo med användning av cell-och vävnadsodlingsmodeller och in vivo med användning av prekliniska djurmodeller. Detta tillvägagångssätt har dock mött svåra hinder för översättning från bänken till sängen. En medicinsk produkt med tre komponenter skulle ha minst 3ni möjliga kombinationer av oberoende variabler (där ni är antalet möjliga variabler associerade med ith-komponenten i trekomponentprodukten), vilket gör det omöjligt att testa den experimentella matrisen i en omfattande undersökning. Detta har begränsat framsteg inom området till endast inkrementella upptäckter, trots spännande utveckling och banbrytande teknik som har rapporterats i små djur och prekliniska modeller. De regulatoriska kraven för multikomponentbenregenereringsprodukterna har hindrat och fortsätter att sakta ner klinisk översättning. Icke desto mindre har innovativa ’point-of-care’ regenerativa tillvägagångssätt som styrs av vävnadstekniska paradigmet rapporterats i den kliniska litteraturen med anmärkningsvärda tidiga framgångar.