fulltext703.pdf

(666 KB) Pobierz

www.artroskopia.org

Received:

2007.07.16

Accepted:

2007.08.03

Published:

2007.09.28

New trends in tissue engineering

Nowe trendy w inżynierii tkankowej

Anna Kaźnica

, Romana Joachimiak

, Tomasz Drewa

, Tomasz Rawo

Jarosław Deszczyński

Tissue Engineering Department, Chair of Medical Biology, Collegium Medicum, Nicolaus Copernicus University,

Toruń, Poland

Department of Orthopedic Surgery and Rehabilitation, 2

Medical Faculty of Warsaw Medical University,

Warsaw, Poland

Summary

Tissue engineering is a new discipline of science which development is very intensive. Methods

used in tissue engineering enable regeneration or substitution of damaged tissues and organs with

new one, produced

in vitro.

The main issues concern combination of biomaterials, nanomaterials,

three-dimensional implants and microchips with stem cells.

key words:

słowa kluczowe:

Full-text PDF:

Word count:

Tables:

Figures:

References:

tissue engineering • biomaterials • stem cells • regenerative medicine

inżynieria tkankowa • biomateriały • komórki macierzyste • medycyna regeneracyjna

http://www.artroskopia.org/fulltxt.php?ICID=630529

1291/1121

—

Author’s address:

Adres autora:

Anna Kaźnica, Tissue Engineering Department, Chair of Medical Biology, Collegium Medicum, Nicolaus Copernicus

University, Toruń, Karłowicza 24, 85-092 Bydgoszcz, Poland, e-mail: a.kaznica@wp.pl

Artroskopia i Chirurgia Stawów, 2007; 3(3): 11-16

Kaźnica A i wsp. – Nowe trendy w inżynierii tkankowej

STĘP

Inżynieria tkankowa to młoda, ale intensywnie rozwijająca się

dziedzina nauki. Nowe możliwości regeneracji chorych lub

uszkodzonych tkanek stworzone dzięki stosowaniu metod in-

żynieri tkankowej sprawiają, iż znajduje ona coraz szersze za-

stosowanie w medycynie, szczególnie w ortopedii. Inżynieria

tkankowa jest dyscypliną naukową, stwarzającą nowe alterna-

tywne rozwiązania zmieniające sposób podejścia do leczenia

przy pomocy przeszczepów oraz uzupełniania ubytków na-

rządów i tkanek. Jeszcze kilka lat temu sądzono, iż ludzkie

tkanki mogą być zastępowane tylko poprzez bezpośrednie

transplantacje allogeniczne lub całkowicie sztuczne implanty.

W ostatnich latach wiele uwagi poświęca się narządom biohy-

brydowym zbudowanym z komórek autologicznych.

Zastosowanie nowatorskich połączeń nanomateriałów, trój-

wymiarowych wszczepów, przepływowych mikroczipów czy

bioaktywnego szkła z wyhodowanymi na nich komórkami

macierzystymi daje szansę na przygotowanie odpowiedniej

tkanki w warunkach laboratoryjnych.

ACKGROUND

Tissue engineering is a new but intensively developing

discipline of science. Thanks to its possibilities to regen-

erate damaged tissues, tissue engineering is more often

used in medicine, especially in orthopedics. Tissue engi-

neering opens new alternative solutions which can change

the management of many diseases. Years ago, there was

a belief that human tissues can be replaced only by di-

rect allogenic transplantation or completely artiﬁcial im-

plants. In last years scientist attention is directed to bio-

hybrid organs.

Novel application of nanomaterials, three-dimensional im-

plants, ﬂow-microchips or bioactive glass with stem cells

gives huge opportunity for creating new tissues.

TEM

ELLS

Many different types of cells are used in tissue engineering,

especially stem cells. Stem cells posses differentiation po-

tential and are capable to self-renew [1,2].

There are following types of stem cells:

• Totipotential (embryonic stem cells from embryo blasto-

cyst) which can give rise to whole organism.

• Pluripotential (embryonic stem cells) which can differ-

entiate into each cell type with the exception of germ

cells.

• Multipotential (somatic stem cells, responsible for the re-

plenishment of cells throughout life) which can differen-

tiate into cells with similar properties.

• Unipotential (progenitor cells) which can differentiate

into only one type of cell.

Embryonic and somatic stem cells are ideal candidates for

tissue engineering purposes. Unfortunately there are still

many ethical dilemmas due to use of embryonic stem cells.

In orthopedics attention is focused on mesenchymal stem

cells (MSC) from bone marrow [1].

Mesenchymal stem cells (Figure 1) can give rise to chondro-

cytes, osteocytes, myocytes and adipocytes [3–5].

OMÓRKI MACIERZYSTE

W inżynierii tkankowej wykorzystuje się wiele różnych typów

komórek, obecnie jednak najwięcej uwagi poświęca się ko-

mórkom macierzystym. Komórki macierzyste są to komór-

ki o dużym potencjale do różnicowania w inne typy komó-

rek, zdolne do samoodnowy [1,2].

Wyróżnia się następujące typy komórek macierzystych:

• Totipotencjalne (embrionalne komórki macierzyste,

wyodrębnione z zarodka na etapie blastocysty) mogące

dać początek całemu organizmowi.

• Pluripotencjalne (embrionalne komórki macierzyste),

które mogą różnicować się w każdy typ wyspecjalizowanej

komórki, za wyjątkiem komórek rozrodczych.

• Multipotencjalne (somatyczne komórki macierzyste,

posiadające możliwość stałego wytwarzania nowych

komórek) mogące różnicować się w różne typy komórek,

z reguły o podobnych właściwościach.

• Unipotencjalne (komórki prekursorowe będące bez-

pośrednim źródłem komórek odnawiających daną tkankę).

Mogą różnicować się tylko w jeden typ komórki.

W inżynierii tkankowej zastosowanie znalazły embrionalne

i somatyczne komórki macierzyste. Z wykorzystaniem em-

brionalnych komórek macierzystych wiąże się wiele dylema-

tów natury moralnej i etycznej i dlatego w ortopedii najwięk-

szym zainteresowaniem cieszą się mezenchymalne komórki

macierzyste – MSC (Mesenchymal Stem Cells) wyizolowane

ze szpiku kostnego osób dorosłych [1].

Mezenchymalne komórki macierzyste stosuje się do regene-

racji chrząstki, ścięgien, więzadeł i kości. Mezenchymalne

komórki macierzyste (Rycina 1) wykazują zdolność do różni-

cowania się w komórki pochodzenia mezodermalnego m.in.

w chondrocyty, osteocyty, miocyty i adipocyty [3–5].

Do rekonstrukcji uszkodzonych tkanek i narządów zwykle

stosuje się procedurę polegającą na namnożeniu wyizolo-

wanych komórek z tkanki biorcy w warunkach

in vitro,

„wy-

sianiu” ich na rusztowania z biodegradowalnych polimerów

i dalszej hodowli. W tym celu projektuje się trójwymiarowe

Rycina 1.

Mezenchymalne komórki macierzyste szpiku kostnego

wyizolowane od szczura rasy Wistar, pasaż 11 (pow. 100×,

mikroskop odwrócony, fot. R. Joachimiak).

Figure 1.

Mesenchymal stem cells from male Wistar rat’s bone

marrow, passage 11

(magnific. 100×, inverted microscop,

phot. R. Joachimiak).

Arthroscopy and Joint Surgery, 2007; 3(3): 11-16

Kaźnica A et al – New trends in tissue engineering

szkielety z biomateriałów wchłanialnych, odpowiednich dla

wzrostu komórek tworzących nowe tkanki i narządy [6].

Nadrzędnym zadaniem w inżynierii tkankowej stało się stwo-

rzenie rusztowania wraz z komórkami, takiego które mogło-

by odtworzyć nową tkankę, czynnościowo i strukturalnie, po-

równywalną z tkanką prawidłową.

USZTOWANIA

(

SKAFOLDY

)

Wykorzystywanie biomateriałów, jako biologicznych implan-

tów znane jest od czasów starożytnych. Sztuczne oczy, uszy,

zęby i nosy znaleziono przy mumiach egipskich. Chińczycy

i Indianie stosowali woski, kleje, drewno i różne metale celem

zastąpienia uszkodzonych lub brakujących części ciała [7].

Pod koniec XX wieku zmieniły się kryteria wyboru i wykorzy-

stania biomateriałów do przeszczepiania. Skafoldy stosowane

w inżynierii tkankowej mają naśladować biologiczne funkcje

macierzy zewnątrzkomórkowej, utrzymywać strukturę i funk-

cje tworzonych konstrukcji tkankowych oraz przyczyniać się

do wzrostu, adhezji i różnicowania się komórek. Rusztowania

przygotowuje się z odpowiednich biozgodnych materiałów,

które ulegają powolnej degradacji i resorpcji w organizmie.

Większość z nich zapewnia hodowli trójwymiarową przestrzeń,

w której komórki mogą rosnąć i dzielić się [6].

Wyróżnia się skafoldy naturalne i syntetyczne, które stosu-

je się w zależności od wskazań medycznych. Przyszłością są

„inteligentne” biomateriały, które będą modyﬁkować swo-

je właściwości w odpowiedzi na zmiany warunków środowi-

ska zewnętrznego, np. zmiany pH, temperatury.

Rusztowania stosowane w inżynierii tkankowej zazwyczaj łączy

się z odpowiednimi komórkami. Coraz częściej jednak stosu-

je się skafoldy bez elementów komórkowych. Stosowanie ko-

mórek ma za zadanie wzmagać proces syntezy tkanek

de novo.

W celu zapewnienia komórkom dostępu do składników od-

żywczych, jak i odpowiedniej powierzchni wzrostu projektu-

je się porowate konstrukcje. Do hodowli osteocytów stosuje

się skafoldy składające się z hydroksyapatytu lub bioaktywne-

go szkła, PLGA (poly(lactic-co-glycolic acid)) lub kolagenu,

które dzięki swojej strukturze aktywnie uczestniczą w rege-

neracji tkanki kostnej poprzez zwiększoną adsorpcję wielu

białek m.in. czynników wzrostu i białek receptorowych [8].

Nowe generacje skafoldów projektuje się z porowatych ma-

teriałów zawierających czynniki wzrostu tkanki kostnej, wol-

no uwalniającą się witaminę C i

b-glicerofosforan

[6].

Popularną i wciąż modyﬁkowaną techniką hodowli i przeszcze-

piania komórek jest enkapsulacja, która po raz pierwszy została

zastosowana w 1960 roku. Komórki „zamyka się” w kapsułkach

wykonanych z biomateriałów przepuszczających substancje od-

żywcze i tlen, pozwalając jednocześnie na wypływ substancji

wydzielanych przez przeszczepione komórki do krwiobiegu

lub sąsiadujących tkanek. Kapsułka taka chroni również przed

komórkami układu immunologicznego mogącymi zniszczyć

wszczep (Rycina 2). Tradycyjne materiały stosowane do pro-

dukcji kapsuł to m.in. chitozan, polisacharydowe hydrożele,

wapń i polilizyna, zaś nowe techniki pozwalają na produkcję

silikonowych kapsuł o nanometrowych porach [9].

Produkcja skafoldów powinna uwzględniać indywidualne

warunki anatomiczne pacjenta. Metoda „rapid prototyping”

Rycina 2.

Zasada działania wszczepu przygotowanego metodą

enkapsulacji (wg R. Joachimiak).

Figure 2.

Encapsulation technique (according to R. Joachimiak).

Commonly applied procedure in damaged tissues and organs

reconstruction is donor cell isolation, seeding on biodegrad-

able scaffolds and further cultivation

in vitro.

For this purpose

3D absorbable biomaterials are being designed [6].

The main goal in tissue engineering is to create such cell

seeded scaffolds that are able to reconstruct functionally

and structurally new tissue.

CAFFOLDS

Biomaterials as biological implants are known from ancient

times. Artiﬁcial eyes, ears, teeth and noses were found with

Egyptian mummies. Chineese and Indians used waxes, glues,

wood and different metals to replace damaged or missing

parts of the body [7]. At the end of XX century selection

criteria of biomaterials were changed. Scaffolds used in tis-

sue enginnering are designed to mimic the biological func-

tion of extracellular matrix, maintain structure and func-

tion of created tissue constructs and contribute to growth,

adhesion and differentiation of cells. Scaffolds are made of

suitable biocompatible materials which are slowly degrad-

ed and resorbed. Most of them provide three-dimensional

space in which cells are able to grow and divide [6].

Natural and synthetic scaffolds are used depending on

therapeutic indications. Intelligent biomaterials capable

to change their own properties in response to external en-

vironment are the future of tissue engineering.

Scaffolds applied in tissue engineering can be seede with

different types of cells. Scaffolds without cell compartment

are also used very often. The main idea to use cell seede scaf-

folds is to enhance

de novo

tissue synthesis. To enable nutri-

ents and growth space access, porous constructions are de-

signed. Scaffolds made of hydroxyapatite or bioactive glass,

PLGA (poly(lactic-co-glycolic acid)) or collagen are used for

osteocytes culture. Thanks to their structure they participate

in bone tissue regeneration, enhancing proteins adsorption

(growth factors and receptor proteins) [8]. The new gener-

ation of biomaterials includes bone growth factors, slowly

released vitamin C and

b-glycerophosphate

[6].

Artroskopia i Chirurgia Stawów, 2007; 3(3): 11-16

Kaźnica A i wsp. – Nowe trendy w inżynierii tkankowej

umożliwia komputerowe przygotowanie trójwymiarowego

modelu ubytku, który ma zostać wypełniony przez zapro-

jektowany implant (Rycina 3) [10].

Jedną z technik umożliwiającą wyprodukowanie tak zapro-

jektowanego implantu jest 3D printing (nadrukowanie prze-

strzenne), przy użyciu zmodyﬁkowanych drukarek. Wybór

materiałów używanych w tej metodzie jest nieograniczony,

od materiałów ceramicznych w postaci pyłów do substancji

żelowych [10,11].

Encapsulation, which was applied in 1960 for the ﬁrst time,

is still very popular and often modiﬁed technique of culti-

vating and transplanting the cells. Cells are being closed in

capsules which are permeable for nutrients, oxygen and ther-

apeutic substances. Such capsule protects against host immu-

nological cells which may damage the implant (Figure 2).

Chitosan, polysaccharide hydrogels, calcium and polylysine

are traditionally used in capsule production. New methods

allow creating silicone capsules with nanosize pores [9].

Individual anatomical patient’s conditions should be taken

into consideration in scaffold creation. ‘Rapid prototyping’

method provides the possibility to produce three-dimen-

sional defect model which will be replaces by the implant

(Figure 3) [10].

3D printing is one of the method used in implant produc-

tion. The choice of material is highly ﬂexible, from powder

ceramic materials to gel substances [10,11].

Pył ceramiczny

(np. zmodyfikowany

proszek hydroksyapatytu)

Roztwór wiążący polimeru

Skafold

Pory: do 450 μm

Grubość ścianek: do 330 μm

Wytrzymałość mechaniczna: 22 MPa

Skafoldy o małej średnicy porów umożliwiają lepszą interak-

cję komórek z czynnikami wzrostu i innymi ligandami, mają-

cymi wpływ na funkcje i różnicowanie się komórek [6].

Ceramic powder

(modified hydroxyapatitie

powder)

Polymer-based

ANOMATERIAŁY STOSOWANE W INŻYNIERII TKANKOWEJ

Nanomateriały składają się z elementów (włókna, ziarna,

cząstki), których wielkość nie przekracza 100 nm. Do pro-

dukcji nanomateriałów stosuje się dotąd powszechnie uży-

wane w produkcji skafoldów w skali mikro metale, cerami-

kę, polimery lub kompozyty powstałe z ich połączeń [12].

Nanomateriały posiadają unikalne właściwości powierzch-

niowe, które zwiększają adsorpcję białek i adhezję komó-

rek, poprawiają znacznie interakcje pomiędzy białkami

i komórkami [12,13]. Obserwuje się np. wzrost adsorpcji

ﬁbronektyny przy stosowaniu mniejszych cząsteczek PLGA

(Rycina 4).

Coraz częściej nanomateriały wykorzystuje się w ortopedii

w celu regeneracji tkanki mięśniowo-szkieletowej. Skafoldy

wykonane z nanomateriałów przypominają struktury żywego

organizmu, które są zbudowane z elementów o mikro i na-

norozmiarach, tak jak struktura kości (Rycina 5).

Do regeneracji kości stosuje się nanoceramikę, taką jak tle-

nek glinu, tytan i hydroksyapatyt, które w porównaniu z tra-

dycyjnie wykorzystywanymi rusztowaniami zwiększają adhe-

zję i proliferację osteoblastów, a także poprawiają czynność

osteoklastów [12,14]. Podobne korzystne zjawiska obserwu-

je się w przypadku stosowania nanometali, nanopolimerów

czy też nanokompozytów (Rycina 6).

Zastosowanie nanomateriałów w inżynierii tkankowej daje

duże nadzieje na regenerację tkanki chrzęstnej poprzez

„dopasowanie” składu, mikrostruktury i właściwości biolo-

gicznych do chondrocytów. Nanostruktura PLGA zwiększa

adhezję, wzrost, różnicowanie, żywotność i syntezę zewnątrz-

komórkowej macierzy chondrocytów [15]. Dzięki interakcji

pomiędzy nanomateriałami i białkami, a później komórkami

regeneracja uszkodzonych tkanek staje się możliwa.

Scaffold

Pores: dimension down to 450 μm

Wall thickness: down to 330 μm

Mechanical strenght: up to 22 MPa

Scaffolds with small pore size allow better cell interaction

with growth factors and other ligands which have inﬂuence

on cell function and differentiation [6].

ANOMATERIALS USED IN

ISSUE

NGINEERING

Nanomaterials are materials with very small components (ﬁ-

bers, grains, particles) with dimension in the range of 1–100

nm. Nanomaterials can be conventionally used metals, ce-

ramics, polymers or composite materials which demonstrate

novel features due to their nanoscale [12]. Nanomaterials

possess unique surface features, which enhance protein ad-

sorption, cell adhesion and improve interaction between

cells and proteins. [12,13]. Better ﬁbronectin adsorption on

nanometer PLGA surface was observed (Figure 4).

Nanomaterials are more often used in orthopedics due to

their regeneration ability of sceletal-muscle tissue.

Scaffolds prepared from nanomaterials are designed and

assembled from micro- and nanoscale building elements

similar to natural tissues (for instance bone structure)

(Figure5).

Nanoceramics, alumina, titania and hyroxyapatite are used

in bone regeneration. They promote osteoblast adhesion

and proliferation, osteoclast function in comparison with

traditionally used microscale materials [12,14]. Similar ad-

vantageous effects are observed not only on nanophase ce-

ramics but also on nanometals, nanoplymers and nanocom-

posites (Figure 6).

Arthroscopy and Joint Surgery, 2007; 3(3): 11-16

Kaźnica A et al – New trends in tissue engineering

Rycina 3.

Proces komputerowego projektowania implantu – „rapid

prototyping” wg Schieker i wsp. 2006 [10]. (A) Zebranie

danych klinicznych. Badanie tomografii komputerowej

i rezonansu magnetycznego. (B) Zastosowanie programów

naśladujących naturalną budowę kości. (C) Projektowanie

rusztowania. (D) Wykonanie rusztowania metodą

nadrukowania przestrzennego.

Figure 3.

A typical rapid prototyping process according to Schieker et

al. 2006 [10]. (A) Medical dataset (CT, MRI-scans). (B) Use

of computer programmes which mimic bone structure. (C)

Scaffold design. (D) Custom-made scaffolds by 3D printing.

Rycina 6.

Formowanie się kości na skafoldach pokrytych

nanofazowym (nano-hydroksyapatyt) i konwencjonalnym

hydroksyapatytem – HA wg Liu i Webster 2007 [12].

Figure 6.

Bone formation on nanophase or conventional

hydroxyapatite (HA) scaffolds according to Liu and Webster

2007 [12].

Rycina 4.

Adsorpcja fibronektyny na cząsteczkach PLGA o różnej

średnicy wg Liu i Webster 2007 [12].

Figure 4.

Images of fibronectin adsorbed to PLGA surfaces with

various nanoscale surface features according to Liu and

Webster 2007 [12].

Rycina 5.

Makro-, mikro- i nanostruktura kości (schemat wg M.

Schieker).

Figure 5.

Macro-, micro- and nanostructure of bone according to M.

Schieker.

KAFOLDY I KOMÓRKI MACIERZYSTE

Komórki macierzyste aby przeżyć i zróżnicować się w okre-

ślony typ tkanki, wymagają odpowiedniego mikrośrodowiska

i obecności określonych czynników wzrostu. Połączenie ko-

mórek macierzystych z biomateriałami daje możliwości two-

rzenia nowych tkanek, a nawet narządów. Komórki macie-

Rycina 7.

Przygotowanie implantu z materiału biowchłanialnego

i wyhodowanych komórek

in vitro

(wg R. Joachimiak).

Figure 7.

Bioabsorbable implant with stem cells prepared

in vitro

(according to R. Joachimiak).

According to the current trends it is suggested that nano-

materials used in tissue engineering may offer promising

opportunities for cartilage regeneration in a natural way.

Plik z chomika:

borekszymon

Inne pliki z tego folderu:

SprawozdanieWS_4(materiały_lab).pdf (18891 KB)
wyniki 001.jpg (2947 KB)
27elementow.png (1095 KB)
wyniki(1).jpg (105 KB)
Sprawozdanie-selektywne-spiekanie(1).odt (232 KB)

fulltext703.pdf

Plik z chomika:

Inne pliki z tego folderu:

Inne foldery tego chomika: