Tissue Engineering im Überblick

Die Fähigkeit des menschlichen Körpers, Gewebe und Organe zu regenerieren, ist äußerst ineffizient, und der Verlust von menschlichem Gewebe und Organen kann leicht auf angeborene Defekte, Krankheiten und plötzliche Traumata zurückzuführen sein. Wenn das Gewebe stirbt (Nekrose genannt), kann es nicht wieder zum Leben erweckt werden. Wenn es nicht entfernt oder repariert wird, kann es andere Bereiche des Körpers betreffen, z. B. umliegendes Gewebe, Organe, Knochen und Haut.
Hier bietet sich das Tissue Engineering an. Durch die Verwendung von Biomaterial (Material, das 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 unterbreitete der National Science Foundation (NSF) einen Vorschlag für ein Forschungszentrum für lebendes Gewebe. Fung übernahm das Konzept des menschlichen Gewebes und erweiterte es, um es auf jeden lebenden Organismus zwischen Zellen und Organen anzuwenden.
Auf der Grundlage dieses Vorschlags hat die NSF den Begriff „Tissue Engineering“ benannt, um ein neues Feld der wissenschaftlichen Forschung zu erschließen. Dies führte zur Gründung der Tissue Engineering Society (TES), die später zur Tissue Engineering and Regenerative Medicine International Society (TERMIS) wurde..
TERMIS fördert sowohl die Ausbildung als auch die Forschung auf dem Gebiet des Tissue Engineering und der regenerativen Medizin. Regenerative Medizin bezieht sich auf ein breiteres Gebiet, das sich sowohl auf das Tissue Engineering als auch auf die Fähigkeit des menschlichen Körpers konzentriert, sich selbst zu heilen, um die normale Funktion von Gewebe, Organen und menschlichen Zellen wiederherzustellen.

Zweck des Tissue Engineering

Tissue Engineering hat in Medizin und Forschung einige Hauptfunktionen: Hilfe bei der Reparatur von Gewebe oder Organen, einschließlich Knochenreparatur (verkalktes Gewebe), Knorpelgewebe, Herzgewebe, Pankreasgewebe und Gefäßgewebe. Das Gebiet erforscht auch das Verhalten von Stammzellen. Stammzellen können sich zu vielen verschiedenen Zelltypen entwickeln und dabei helfen, Körperbereiche zu reparieren.
Auf dem Gebiet des Tissue Engineering können Forscher Modelle erstellen, um verschiedene Krankheiten wie Krebs und Herzerkrankungen zu untersuchen.
Aufgrund der 3D-Beschaffenheit des Tissue Engineering kann die Tumorarchitektur in einer genaueren Umgebung untersucht werden. Tissue Engineering bietet auch die Möglichkeit, potenzielle neue Medikamente gegen diese Krankheiten zu testen.

Wie es funktioniert

Der Prozess des Tissue Engineering ist kompliziert. Dabei wird ein 3D-Funktionsgewebe gebildet, mit dessen Hilfe ein Gewebe oder ein Organ im Körper repariert, ersetzt und regeneriert werden kann. Dazu werden Zellen und Biomoleküle mit Gerüsten kombiniert.
Gerüste sind künstliche oder natürliche Strukturen, die reale Organe (wie die Niere oder die Leber) nachahmen. Das Gewebe wächst auf diesen Gerüsten, um den biologischen Prozess oder die Struktur nachzuahmen, die ersetzt werden muss. Wenn diese zusammen konstruiert werden, wird neues Gewebe konstruiert, um den Zustand des alten Gewebes zu reproduzieren, als es nicht beschädigt oder krank war.

Gerüste, Zellen und Biomoleküle

Gerüste, die normalerweise von Zellen im Körper erzeugt werden, können aus Quellen wie Proteinen im Körper, künstlichen Kunststoffen oder aus einem vorhandenen Gerüst wie einem Spenderorgan aufgebaut werden. Im Falle eines Spenderorgans würde das Gerüst mit Zellen des Patienten kombiniert, um anpassbare Organe oder Gewebe zu bilden, die vom Immunsystem des Patienten wahrscheinlich abgestoßen werden.
Unabhängig davon, wie es gebildet wird, sendet diese Gerüststruktur Nachrichten an die Zellen, die dabei helfen, die Zellfunktionen im Körper zu unterstützen und zu optimieren.
Die Auswahl der richtigen Zellen ist ein wichtiger Bestandteil des Tissue Engineerings. Es gibt zwei Haupttypen von Stammzellen.

Zwei Haupttypen von Stammzellen

• Embryonische Stammzellen: stammen aus Embryonen, normalerweise aus in vitro befruchteten Eiern (außerhalb des Körpers).
• Erwachsene Stammzellen: Befindet sich im Körper unter normalen Zellen - sie können sich durch Zellteilung vermehren, um sterbende Zellen und Gewebe wieder aufzufüllen.

Derzeit werden auch pluripotente Stammzellen (adulte Stammzellen, die dazu veranlasst werden, sich wie embryonale Stammzellen zu verhalten) intensiv erforscht. Theoretisch gibt es ein unbegrenztes Angebot an pluripotenten Stammzellen, und bei deren Verwendung geht es nicht um die Zerstörung menschlicher Embryonen (was ebenfalls ein ethisches Problem darstellt). Tatsächlich veröffentlichten die mit dem Nobelpreis ausgezeichneten Forscher ihre Ergebnisse zu pluripotenten Stammzellen und deren Verwendung.
Insgesamt umfassen Biomoleküle vier Hauptklassen (obwohl es auch Nebenklassen gibt): Kohlenhydrate, Lipide, Proteine ​​und Nukleinsäuren. Diese Biomoleküle tragen zum Aufbau und zur Funktion der Zellen bei. Kohlenhydrate helfen Organen wie der Gehirn- und Herzfunktion sowie Systemen, die wie das Verdauungs- und Immunsystem funktionieren.
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 eingesetzt. Es gab einige Fälle, in denen Tissue Engineering bei Hauttransplantationen, Knorpelreparaturen, kleinen Arterien und Blasen bei Patienten angewendet wurde. Bei Patienten wurden größere Organe wie Herz, Lunge und Leber, die aus Gewebezüchtungen hergestellt wurden, noch nicht verwendet (obwohl sie in Labors hergestellt wurden)..
Abgesehen vom Risikofaktor des Einsatzes von Tissue Engineering bei Patienten sind die Verfahren äußerst kostspielig. Tissue Engineering ist jedoch hilfreich, wenn es um medizinische Forschung geht, insbesondere beim Testen neuer Arzneimittelformulierungen.
Die Verwendung von lebendem, funktionierendem Gewebe in einer Umgebung außerhalb des Körpers hilft Forschern dabei, Fortschritte in der personalisierten Medizin zu erzielen.
Personalisierte Medizin hilft zu bestimmen, ob einige Medikamente für bestimmte Patienten aufgrund ihres Erbguts besser wirken, und senkt die Kosten für die Entwicklung und den Test an Tieren.

Beispiele für Tissue Engineering

Ein aktuelles Beispiel für das Tissue Engineering des National Institute of Biomedical Imaging and Bioengineering ist 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 so nach, wie Menschen auf bestimmte Medikamente in der Maus reagieren würden. Dies hilft Forschern zu erkennen, welche möglichen Wechselwirkungen mit einem bestimmten Medikament bestehen können.
In dem Bestreben, Gewebe mit einem eingebauten Netzwerk herzustellen, testen Forscher einen Drucker, der aus einer Zuckerlösung ein vaskuläres Netzwerk herstellen würde. Die Lösung würde sich im technischen Gewebe bilden und aushärten, bis dem Prozess Blut hinzugefügt wird, das durch die künstlichen Kanäle wandert.
Schließlich ist die Regeneration der Nieren eines Patienten mit eigenen Zellen ein weiteres Projekt des Instituts. Die Forscher verwendeten Zellen aus Spenderorganen, um sie mit Biomolekülen und einem Kollagengerüst (aus dem Spenderorgan) zu kombinieren, um neues Nierengewebe zu züchten.
Dieses Organgewebe wurde dann sowohl außerhalb als auch innerhalb von Ratten auf seine Funktion getestet (wie das Absorbieren von Nährstoffen und die Produktion von Urin). Fortschritte auf diesem Gebiet des Tissue Engineering (das auch für Organe wie Herz, Leber und Lunge ähnlich funktionieren kann) könnten bei Spendermangel helfen und Krankheiten, die mit Immunsuppression bei Organtransplantationspatienten verbunden sind, verringern.

Wie es mit Krebs zusammenhängt

Das metastatische Tumorwachstum ist einer der Gründe, warum Krebs die häufigste Todesursache ist. Vor dem Tissue Engineering konnten Tumorumgebungen nur außerhalb des Körpers in 2D-Form erstellt werden. Jetzt ermöglichen 3D-Umgebungen sowie die Entwicklung und Nutzung bestimmter Biomaterialien (wie Kollagen) den Forschern, die Umgebung eines Tumors bis in die Mikroumgebung bestimmter Zellen zu untersuchen, um festzustellen, was mit der Krankheit passiert, wenn bestimmte chemische Zusammensetzungen in Zellen verändert werden.
Auf diese Weise hilft Tissue Engineering den Forschern, sowohl das Fortschreiten der Krebserkrankung als auch die Auswirkungen bestimmter Therapieansätze auf Patienten mit derselben Krebsart zu verstehen.
Obwohl bei der Untersuchung von Krebs durch Tissue Engineering Fortschritte erzielt wurden, kann das Tumorwachstum häufig zur Bildung neuer Blutgefäße führen. Dies bedeutet, dass trotz der Fortschritte, die das Tissue Engineering in der Krebsforschung gemacht hat, möglicherweise Einschränkungen bestehen, die nur durch die Implantation des konstruierten Gewebes in einen lebenden Organismus beseitigt werden können.
Bei Krebs kann das Tissue Engineering jedoch helfen, festzustellen, wie sich diese Tumore bilden, wie normale Zellinteraktionen aussehen sollten und wie Krebszellen wachsen und metastasieren. Auf diese Weise können Forscher Medikamente testen, die nur Krebszellen und nicht das gesamte Organ oder den gesamten Körper betreffen.
Neue Wege, wie Biomaterialien das Gesundheitswesen verändern