Überblick über Tissue Engineering

Die Fähigkeit des menschlichen Körpers, Gewebe und Organe zu regenerieren, ist äußerst ineffizient, und der Verlust von menschlichem Gewebe und Organen kann aufgrund von Dingen wie angeborenen Defekten, Krankheiten und plötzlichen Traumata leicht passieren. Wenn Gewebe abstirbt (Nekrose genannt), kann es nicht wieder zum Leben erweckt werden – wenn es nicht entfernt oder repariert wird, kann es andere Bereiche des Körpers beeinträchtigen, z. B. umliegendes Gewebe, Organe, Knochen und Haut.

Hier ist Tissue Engineering sinnvoll. Durch die Verwendung von Biomaterial (Materie, die mit den biologischen Systemen des Körpers wie Zellen und aktiven Molekülen interagiert) können funktionelle Gewebe geschaffen werden, um beschädigtes menschliches Gewebe und Organe wiederherzustellen, zu reparieren oder zu ersetzen.

Eine kurze Geschichte

Tissue Engineering ist ein relativ neues Gebiet der Medizin, dessen Forschung erst in den 1980er Jahren begann. Ein amerikanischer Bioingenieur und Wissenschaftler namens Yuan-Cheng Fung hat bei der National Science Foundation (NSF) einen Vorschlag für ein Forschungszentrum für lebendes Gewebe eingereicht. Fung nahm das Konzept des menschlichen Gewebes und erweiterte es auf jeden lebenden Organismus zwischen Zellen und Organen.

Basierend auf diesem Vorschlag hat die NSF den Begriff „Tissue Engineering“ bezeichnet, um ein neues Feld der wissenschaftlichen Forschung zu schaffen. Dies führte zur Gründung der Tissue Engineering Society (TES), aus der später die Tissue Engineering and Regenerative Medicine International Society (TERMIS) wurde.

TERMIS fördert sowohl Lehre als auch Forschung im Bereich Tissue Engineering und regenerative Medizin. Regenerative Medizin bezieht sich auf ein breiteres Feld, das sich sowohl auf das Tissue Engineering als auch auf die Fähigkeit des menschlichen Körpers zur Selbstheilung konzentriert, um die normale Funktion von Gewebe, Organen und menschlichen Zellen wiederherzustellen.

Zweck des Tissue Engineering

Tissue Engineering hat einige Hauptfunktionen in Medizin und Forschung: Hilfe bei der Gewebe- oder Organreparatur einschließlich Knochenreparatur (verkalktes Gewebe), Knorpelgewebe, Herzgewebe, Bauchspeicheldrüsengewebe und Gefäßgewebe. Das Feld forscht auch zum Verhalten von Stammzellen. Stammzellen können sich zu vielen verschiedenen Zelltypen entwickeln und können helfen, Bereiche des Körpers zu reparieren.

Die 3D-Natur des Tissue Engineering ermöglicht die Untersuchung der Tumorarchitektur in einer genaueren Umgebung. Tissue Engineering bietet auch eine Umgebung, um potenzielle neue Medikamente gegen diese Krankheiten zu testen.

Wie es funktioniert

Der Prozess des Tissue Engineering ist kompliziert. Es beinhaltet die Bildung eines funktionellen 3D-Gewebes, um ein Gewebe oder ein Organ im Körper zu reparieren, zu ersetzen und zu regenerieren. Dazu werden Zellen und Biomoleküle mit Gerüsten kombiniert.

Gerüste sind künstliche oder natürliche Strukturen, die echte Organe (wie Niere oder Leber) nachahmen. Das Gewebe wächst auf diesen Gerüsten, um den biologischen Prozess oder die zu ersetzende Struktur nachzuahmen. Wenn diese zusammengebaut werden, wird neues Gewebe hergestellt, um den Zustand des alten Gewebes zu replizieren, als es nicht beschädigt oder erkrankt war.

Gerüste, Zellen und Biomoleküle

Gerüste, die normalerweise von Zellen im Körper gebildet werden, können aus Quellen wie Proteinen im Körper, künstlichen Kunststoffen oder aus einem bestehenden Gerüst, beispielsweise einem Spenderorgan, aufgebaut werden. Im Fall eines Spenderorgans würde das Gerüst mit Zellen des Patienten kombiniert, um anpassbare Organe oder Gewebe herzustellen, die tatsächlich wahrscheinlich vom Immunsystem des Patienten abgestoßen werden.

Unabhängig davon, wie es gebildet wird, ist es diese Gerüststruktur, die Botschaften an die Zellen sendet, die helfen, die Zellfunktionen im Körper zu unterstützen und zu optimieren.

Die Auswahl der richtigen Zellen ist ein wichtiger Teil des Tissue Engineering. Es gibt zwei Haupttypen von Stammzellen.

Auch an pluripotenten Stammzellen (adulten Stammzellen, die dazu gebracht werden, sich wie embryonale Stammzellen zu verhalten) wird derzeit viel geforscht. Theoretisch gibt es eine unbegrenzte Menge an pluripotenten Stammzellen, und deren Verwendung beinhaltet nicht die Frage der Zerstörung menschlicher Embryonen (was auch ein ethisches Problem darstellt). Tatsächlich veröffentlichten Nobelpreisträger ihre Erkenntnisse über pluripotente Stammzellen und ihre Verwendung.

Insgesamt umfassen Biomoleküle vier Hauptklassen (obwohl es auch Sekundärklassen gibt): Kohlenhydrate, Lipide, Proteine ​​und Nukleinsäuren. Diese Biomoleküle tragen dazu bei, die Zellstruktur und -funktion aufzubauen. Kohlenhydrate unterstützen Organe wie das Gehirn und das Herz sowie Systeme wie das Verdauungs- und Immunsystem.

Proteine ​​liefern Antikörper gegen Keime sowie strukturelle Unterstützung und Körperbewegung. Nukleinsäuren enthalten DNA und RNA und geben den Zellen genetische Informationen.

Medizinische Verwendung

Tissue Engineering wird nicht häufig für die Patientenversorgung oder -behandlung verwendet. Es gab einige Fälle, in denen Tissue Engineering bei Hauttransplantationen, Knorpelreparatur, kleinen Arterien und Blasen bei Patienten eingesetzt wurde. Gewebetechnisch hergestellte größere Organe wie Herz, Lunge und Leber wurden jedoch noch nicht bei Patienten verwendet (obwohl sie in Labors hergestellt wurden).

Abgesehen von dem Risikofaktor des Einsatzes von Tissue Engineering bei Patienten sind die Verfahren extrem kostspielig. Obwohl Tissue Engineering für die medizinische Forschung hilfreich ist, insbesondere beim Testen neuer Arzneimittelformulierungen.

Personalisierte Medizin hilft festzustellen, ob einige Medikamente aufgrund ihrer genetischen Ausstattung bei bestimmten Patienten besser wirken, und senkt die Kosten für Entwicklung und Tierversuche.

Beispiele für Tissue Engineering

Ein aktuelles Beispiel für Tissue Engineering, das vom National Institute of Biomedical Imaging and Bioengineering durchgeführt wurde, umfasst das Engineering eines menschlichen Lebergewebes, das dann in eine Maus implantiert wird. Da die Maus ihre eigene Leber verwendet, metabolisiert das menschliche Lebergewebe Medikamente und ahmt nach, wie Menschen auf bestimmte Medikamente in der Maus reagieren würden. Dies hilft Forschern zu erkennen, welche möglichen Arzneimittelinteraktionen mit einem bestimmten Medikament auftreten können.

Um Gewebe mit einem eingebauten Netzwerk herzustellen, testen Forscher einen Drucker, der aus einer Zuckerlösung ein gefäßähnliches Netzwerk herstellen würde. Die Lösung würde sich im gentechnisch veränderten Gewebe bilden und aushärten, bis Blut dem Prozess hinzugefügt wird und durch die künstlichen Kanäle wandert.

Schließlich ist die Regeneration der Nieren eines Patienten mit patienteneigenen Zellen ein weiteres Projekt des Instituts. Die Forscher verwendeten Zellen von Spenderorganen, um sich mit Biomolekülen und einem Kollagengerüst (aus dem Spenderorgan) zu verbinden, um neues Nierengewebe zu züchten.

Dieses Organgewebe wurde dann sowohl außerhalb als auch innerhalb von Ratten auf seine Funktionsfähigkeit (wie die Aufnahme von Nährstoffen und die Produktion von Urin) getestet. Fortschritte in diesem Bereich des Tissue Engineering (das auch für Organe wie Herz, Leber und Lunge ähnlich funktionieren kann) könnten bei Spendermangel helfen und alle mit Immunsuppression verbundenen Krankheiten bei Organtransplantationspatienten reduzieren.

Wie es mit Krebs zusammenhängt

Das metastasierende Tumorwachstum ist einer der Gründe dafür, dass Krebs eine der Haupttodesursachen ist. Vor dem Tissue Engineering konnten Tumorumgebungen nur in 2D-Form außerhalb des Körpers erzeugt werden. 3D-Umgebungen sowie die Entwicklung und Nutzung bestimmter Biomaterialien (wie Kollagen) ermöglichen es Forschern nun, die Umgebung eines Tumors bis in die Mikroumgebung bestimmter Zellen zu untersuchen, um zu sehen, was mit der Krankheit passiert, wenn bestimmte chemische Zusammensetzungen in Zellen verändert werden .

Während bei der Erforschung von Krebs durch Tissue Engineering Fortschritte erzielt wurden, kann das Tumorwachstum oft zur Bildung neuer Blutgefäße führen. Dies bedeutet, dass trotz der Fortschritte, die das Tissue Engineering in der Krebsforschung gemacht hat, Einschränkungen bestehen können, die nur durch die Implantation des gentechnisch veränderten Gewebes in einen lebenden Organismus beseitigt werden können.

Bei Krebs kann Tissue Engineering jedoch helfen herauszufinden, wie sich diese Tumore bilden, wie normale Zellinteraktionen aussehen sollten und wie Krebszellen wachsen und Metastasen bilden. Dies hilft Forschern, Medikamente zu testen, die nur Krebszellen und nicht das gesamte Organ oder den ganzen Körper betreffen.