Tkanje tkivne tkanine
Pozdravljeni v oddaji Frequenza della Scienza na 89,3 MHz, ki je na sporedu vsako drugo nedeljo ob dvanajsti uri. Tokrat se bomo opremili z znanjem s področja tkivnega inženirstva. Na potovanju bomo švignili skozi dovode in odvode kompleksnih bronhialnih mrež umetnih pljuč, pogledali bomo tudi v kablovje trebušnih slinavk in žilnih opornic. Prek spoznavanja temeljnih principov umetne izdelave živega tkiva iz delujočih celic bomo prevprašali sodobne metode raziskovanja in zasnove takšnih tkiv. Zanimalo nas bo tudi, zakaj mnogih stvari še ne znamo izdelati in kdaj lahko pričakujemo vključitev prvih delujočih nadomestkov v sistem zdravstvenega varstva.
Zgodbo začenjamo pri celicah, saj so vsi organizmi, ki živijo na našem planetu, zgrajeni iz celic. Celica je najmanjša od okolja zamejena gradbena enota, ki porablja hranila za proizvodnjo energije. Medtem ko so enocelični organizmi enostavni, so se pri večceličnih organizmih celice diferencirale in poleg osnovnih življenjskih procesov opravljajo še specifične naloge. Vsak izmed nas je sestavljen iz približno tridesetih bilijonov človeških celic, ki so vse nastale iz zarodka, ki je nastal z združitvijo jajčne celice s spermijem.
V človeškem telesu se razvije približno dvesto vrst celic, ki so organizirane v tkiva in organe. Ločimo štiri osnovne vrste tkiv - krovno tkivo, vezivno tkivo, mišično tkivo in živčno tkivo. V posameznih tkivih so torej združene celice, ki imajo podobno obliko, zgradbo in izvršujejo sorodne naloge. Primer takšnega funkcijskega združevanja je srčna mišičnina, ki je specializirana za črpanje krvi skozi srce in po ožilju.
Čeprav deluje srce na prvi pogled kot enostavna črpalka za kri, je za njegovo nemoteno delovanje potreben koordiniran napor mnogih vrst celic. Glavno vlogo pri črpanju igrajo srčne mišične celice, ki s periodičnimi kontrakcijami prečrpavajo kri skozi žilni sistem. Da lahko srce bije, je potrebna nemotena preskrba s kisikom in hranili, kar omogoča mreža arterij in kapilar. Osnovni srčni ritem narekujejo celice sinoatrialnega vozla, ki delujejo kot srčni spodbujevalnik, hitrost in moč kontrakcij pa uravnavajo živčne celice. Srčna mišica in zaklopke so prepredene z vezivnim tkivom, ki daje oporo, srce pa je obdano tudi z maščobnimi celicami.
Iz pojma tkiva se počasi odpravimo današnjemu cilju naproti. Govorili bomo o tkivnem inženirstvu, ampak kaj to sploh je? Najpreprostejša definicija tkivnega inženirstva pravi, da govorimo o interdisciplinarni vedi, ki združuje znanja s področij biologije in inženirstva. Tkivno inženirstvo se ukvarja z izdelavo tkivnih nadomestkov. Za to je nujno dobro poznavanje celic in obnašanja teh celic ob vgradnji v nosilce.
Praktična in teoretična znanja s področja celične fiziologije in molekularne biologije predstavljajo okvir, znotraj katerega poteka izdelava uporabnih nadomestkov. Ti nadomestki morajo ustrezno zamenjati biološki material, ne da bi gostiteljski organizem v kakršnikoli meri reagiral na prisotnost vsadka. Cilj tkivnega inženirstva je torej obnova funkcije tkiva brez interakcije z imunskim sistemom.
Tkivno inženirstvo si prizadeva doseči obnovitev poškodovanega dela telesa, zato ga uvrščamo pod pojem regenerativne medicine. Simbol regenerativne medicine je Prometej. Ta je človeštvu prinesel ogenj, za kazen pa ga je Zevs priklenil na skalo, kjer mu je jastreb pokljuval jetra, ki pa so mu vsako noč spet zrasla nazaj.
Osnovna gradbena enota v tkivnem inženirstvu je živa celica. Niso vse celice primerne za vzgajanje v funkcionalne skupke, pomembno pa je tudi dobro razumevanje interakcije med njimi. O uporabi celic za izdelavo funkcionalnega tkiva smo spregovorili z doktorjem biotehnologije, docentom Miomirjem Kneževićem, ki je tudi direktor Educella, podjetja za celično biologijo.
Pomembno je tudi natančno poznavanje interakcij med različnimi vrstami celic v določenem tkivu. Regeneracija manjše površine povrhnjice kože načeloma ni težavna, veliko težja je izdelava celostnega organa - kože. Med osnovne plasti kože so namreč umeščene na primer tudi dlake, čutnice in celice s kožnim pigmentom.
Če se želimo lotiti vzgoje kompleksnih tkiv in organov v laboratoriju, je za to zelo smiseln pristop uporaba matičnih celic. Matične celice so nediferencirane, zaradi česar imajo še vedno zmožnost razvoja v katerokoli tkivo. Matične celice delimo na odrasle in embrionalne. Uporaba embrionalnih celic je moralno sporna, saj moramo med pridobivanjem teh celic žrtvovati zarodek. Zanimiva alternativa je shranjevanje matičnih celic iz krvi v popkovnici, ki jo izoliramo ob porodu. Matične celice iz popkovnice se uporabljajo za zdravljenje nekaterih bolezni kostnega mozga in genetskih okvar, vendar niso več zmožne diferenciacije v tako širok nabor celic kot embrionalne celice.
Podobno velja za odrasle matične celice, saj so že diferencirane, vendar lahko po navadi proizvajajo vse vrste celic v tkivu, iz katerega izvirajo. Znanstvenice in znanstveniki zato že dolgo iščejo pot, kako diferencirane celice povrniti v stanje, ko so se še lahko preobrazile v katerokoli tkivo. O pomlajevanju celic smo spregovorili z doktorjem Kneževićem.
Pri raziskovanju pomlajenih, pluripotentnih celic smo zaenkrat še na začetku, vseeno pa so lahko zelo koristne. Prav pluripotentne celice lahko z dodatkom diferenciacijskih dejavnikov preobrazimo v katerokoli vrsto celice in so zato lahko odličen model za raziskovanje razvojnih mehanizmov bolezni. Ker so inducirane pluripotentne celice zelo podobne embrionalnim matičnim celicam, lahko v prihodnje pričakujemo tudi pojav številnih novih terapevtskih možnosti, ki bodo vključevale celične komponente. Dobra stran uporabe celičnih terapij je namreč tudi redko pojavljanje neželenih stranskih učinkov.
Umetna tkiva in organi so namreč ena izmed stvari, za katere bi si vsi želeli, da se razvijejo, hkrati pa vsi upamo, da jih nikoli ne bomo potrebovali. Pa vendar ostanite z nami na 89,3 MHz, kjer bomo v nadaljevanju na konkretnem primeru pogledali, kako lahko celice vgradimo v nosilce in ustvarimo umetne organe. Hkrati se bomo seznanili tudi z nekaterimi težavami, ki nastopijo pri takšnem snovanju.
PREMOR
Pozdravljeni nazaj na frekvenci znanosti, kjer prenašamo nova spoznanja do vašega radia kar z 89,3 milijona nihajev na sekundo. V začetku oddaje smo izvedeli, kaj so tkiva in kaj je tkivno inženirstvo, spoznali pa smo se tudi z delom s celicami, ki jih lahko uporabimo za izdelavo umetnih tkiv. Najbolje bo torej, da stopimo korak naprej in si pogledamo, kako lahko izdelamo kar celoten organ.
Da bi lahko celice zaživele kot organ, potrebujejo nosilno ogrodje, okrog katerega se lahko razraščajo. Pri takšni zasnovi organa moramo skrbno izbrati nosilne materiale, ki zelo dobro oponašajo naravni zunajcelični matriks. Velika težava je seveda biološka združljivost s človekovim notranjim okoljem. Nosilci morajo celicam omogočati pritrjevanje in normalno pomnoževanje, hkrati pa ne smejo reagirati z imunskim sistemom, ki bi jih želel odstraniti. Včasih jih lahko napolnimo z rastnimi dejavniki, ki pospešujejo rast in razvoj tkiva, zelo privlačna pa je tudi ideja biorazgradljivosti. Nosilec najprej služi kot ogrodje, v katerem zraste organ, ko pa se kasneje tvori naravno ogrodje, nosilec enostavno razpade in se odstrani. O nastajajočem organu smo spregovorili z doktorjem Kneževićem.
Najpomembnejša je torej izbira materiala, iz katerega izdelamo nosilec. Eden večjih problemov, s katerimi se sooča tkivno inženirstvo, pa je tudi pravilno ožiljenje nastajajočega tkiva ali organa. Žile, skozi katere se pretaka kri, omogočajo stalni dotok hranil in odstranjevanje celičnih presnovkov, zaradi česar so nepogrešljive pri izdelavi organov. Če se v nastajajočem tkivu kopičijo presnovki, pride namreč do poškodb ali odmiranja celic. Nekrozo tkiva lahko preprečimo samo tako, da nastajajoči organ pravilno ožilimo, zato se tkivni inženirji in inženirke poslužujejo rastnih dejavnikov, ki pospešujejo razrast kapilar, kot je rastni dejavnik žilnega endotelija.
Veliko ljudem bi zelo prav prišel kakšen umetni organ. Od krvi, katere darovalec lahko postane skoraj vsak, pa do ledvic, ki so trenutno eden najbolj iskanih organov. Kako daleč smo z uporabo umetnih organov v medicini, smo povprašali doktorico Matejo Erdani Kreft, redno profesorico na področju celične biologije na Medicinski fakulteti Univerze v Ljubljani.
O konkretni situaciji glede celičnih terapij v Sloveniji nam več pove doktor Miomir Knežević.
Ravno sedaj si slovenski znanstveni svet prizadeva za oblikovanje konzorcija vseh deležnikov, ki raziskujejo na področju celičnih kultur. Pomembno je vedeti, da se spremembe ne zgodijo čez noč, zato velja takšne akcije širše podpreti, saj s tem ozaveščamo javnost in pomagamo bolnikom v Sloveniji.
Po premoru se vračamo v svet organskega šiviljstva. Poskusili bomo stkati pravo pravcato trebušno slinavko. Do takrat pa krajši glasbeni oddih.
PREMOR
Dobrodošli nazaj v oddaji Frequenza della Scienza, kjer danes izdelujemo prava človeška tkiva in organe. Do sedaj smo se podučili o človeških tkivih, induciranih pluripotentnih celicah in o nosilcih za umetne organe. Zdaj pa bomo svoj krvni sladkor poskusili znižati z umetno trebušno slinavko.
Mnogo ljudi trpi za sladkorno boleznijo tipa ena, pri kateri trebušna slinavka ne more proizvajati inzulina za zniževanje vsebnosti sladkorja v krvi. Še stoletje nazaj je diagnoza sladkorne bolezni tipa ena pomenila gotovo zgodnjo smrt, dokler niso v začetku tridesetih let dvajsetega stoletja začeli pridobivati inzulina iz govejih in svinjskih trebušnih slinavk. Zaradi razlik med človeškim in živalskim inzulinom je še vedno prihajalo do zdravstvenih zapletov, da ne omenjamo velikega števila živalskih trebušnih slinavk, potrebnih za pridobitev zadostne količine inzulina. Razvoj rekombinantne tehnologije je v osemdesetih letih dvajsetega stoletja omogočil proizvajanje človeškega inzulina v kvasnih ali bakterijskih sistemih in s tem v svet poslal prvo biološko zdravilo.Cena inzulina se je takrat močno znižala, učinkovitost pa zvišala.
Kljub temu imajo bolniki sladkorne bolezni tipa ena še danes oteženo zdravstveno življenje, vključno z visokimi cenami inzulina v Združenih državah Amerike, kjer večina zavarovalnic ne krije stroškov inzulina. Zato se nadaljnji razvoj zdravljenja diabetesa na tej točki ni ustavil. Presaditev skupine celic na trebušni slinavki, ki izločajo inzulin in jih imenujemo Langerhansovi otočki, je eden izmed načinov zdravljenja, ki uspešno vzdržuje raven sladkorja v krvi. Žal pa presaditev prinaša nekaj slabosti. Gre namreč za invaziven kirurški poseg, po katerem morajo bolniki do konca življenja jemati učinkovine za zaviranje imunskega odziva ali imunosupresive, ti pa prinašajo dolgoročne stranske učinke, ki niti niso vsi dodobra preiskani.
O presaditvi organov brez jemanja imunosupresivov smo lahko nekaj časa nazaj zgolj sanjali, danes pa se te sanje približujejo resničnosti. V razvoju so namreč tehnologije za obdajanje presajenih Langerhansovih otočkov z umetno membrano, ki deluje kot imunoizolacija. Umetna trebušna slinavka obdaja otočke in omejuje njen stik z okoljem kot polprepustna membrana. Preprečuje namreč izpostavljenost človeškemu imunskemu sistemu, dovoljuje pa prehod inzulina, kisika in hranil. Tako imenovano imunoizolacijo Langerhansovih otočkov lahko razdelimo na makro- in mikroinkapsulacijo ter na spreminjanje površine otočkov.
Pri makroinkapsulaciji veliko število otočkov presadimo na nosilca. Slabost takšne presaditve je, da so celice v skupkih, ki otežujejo pretok kisika in hranil v sredino skupka. Te slabosti nima mikroinkapsulacija, pri kateri nekaj otočkov ujamemo v hidrogel, na primer alginat, eden ali več pa je potem presajen. Povečana površina olajšuje difuzni prenos kisika in hranil. To je trenutno tudi najbolj uporabljena strategija. Prisluhnimo, kaj nam bo o napredkih na področju razvoja umetne trebušne slinavke povedala doktorica Mateja Erdani Kreft.
Drugačen pristop je inženirstvo površine Langerhansovih otočkov, ki bi tvorila imunsko pregrado. Pri takšnem pristopu se na površino celic vežejo nanovlakna na primer polietilenglikola, ki do neke mere preprečujejo dostop imunskih celic in vnetnih molekul, prepuščajo pa inzulin. Obetaven pristop k zdravljenju pa zaenkrat še ni primeren za uporabo, saj so raziskave pokazale, da daljša vezava polietilenglikola na celice sčasoma povzroči celično smrt.
Umetna trebušna slinavka je torej pristop k zdravljenju sladkorne bolezni tipa ena, ki dovoljuje presaditev otočkov z minimalnim imunskim odzivom ali celo brez njega. Podobne napredke za uporabo v regenerativni medicini lahko opazimo tudi pri zdravljenju drugih bolezni, za katere uporabljamo inducirane pluripotentne celice. Doktorica Mateja Erdani Kreft nam je predstavila roženico, narejeno iz induciranih pluripotentnih matičnih celic. Še pred tem pa nam je predstavila način zdravljenja Parkinsonove bolezni, pri katerem inducirane pluripotentne matične celice vbrizgajo v določene predele možganov.
Zdravljenje in uporaba v regenerativni medicini torej napredujeta. Razvijajo se novi nosilci, uporaba celic se povečuje, posledično pa napreduje tudi tkivno inženirstvo, ki kombinira uporabo nosilcev z uporabo celic. Po krajšem odmoru se bomo natisnili nazaj v eter, zato ostanite z nami na 89,3 MHz.
PREMOR
Ste v oddaji Frequenza della Scienza na frekvenci 89,3 MHz in ravnokar bomo natisnili organ. Do sedaj smo se seznanjali z znanstvenimi poskusi izdelave organov, čaka pa nas še pogled v prihodnost. Zanimali nas bosta predvsem tiskanje tkiv s 3D tiskalnikom in raziskovanje organov s pristopom “organ on a chip” [konec zvoka tiskalnika]. Za uvod prisluhnimo doktorju Kneževiću, ki bo povzel naše dosedanje znanje o delu s celicami in nosilci, hkrati pa tudi osvetlil nekatere ključne težave, ki lahko nastopijo pri tiskanju tkiv in organov.
Zelo velik izziv pri 3D tiskanju sta čim boljše oponašanje zunajceličnega matriksa in umeščanje različnih vrst celic v ta matriks. Izjemnega pomena je tudi natančno prostorsko razporejanje sestavnih delov biološkega materiala po slojih med samim tiskanjem. Pred uveljavitvijo takšne tehnologije za bolj množično tiskanje organov je torej potrebno natančno poznavanje celic in njihovega življenjskega prostora.
Zaradi cene in enostavnosti uporabe mnogo raziskav stremi k zmanjšanju velikosti najrazličnejših sistemov, vključno s človeškim telesom. V splošnih metodologijah se celice goji v delno statičnem okolju, kjer so snovi za eksperimentalno delo omejene na gibanje prek difuzije. Na splošno so celične kulture, ki jih gojimo in vitro, prikrajšane za fiziološke funkcije, ki jih lahko opazujemo v dejanskem živem organizmu. Po drugi strani imajo celice in vivo dostop do kisika in hranil prek krvnega pretoka, prejemajo pa tudi kemijske in fizikalne dražljaje.
V luči povedanega smo ljudje v bistvu skupek organov in tkiv z mnogimi fiziološkimi vlogami, ki skupaj sestavljajo kompleksen sistem. Ker s klasičnimi metodami gojenja celic ne moremo točno napovedati interakcije med organi in tkivi, moramo zdravilne učinkovine testirati na živalih. Zaradi pomanjkljivosti celičnih kultur so raziskovalne ekipe, ki se ukvarjajo s tkivnim inženirstvom, razvile mikrofluidne naprave, s katerimi lahko prostorsko in časovno nadzorujemo tekočino, ki obdaja celice, celično adhezijo in mehanske dražljaje.
Ena izmed takšnih tehnologij se imenuje “laboratorij na čipu”. To je zanimiva naprava, velika kot človeški palec, ki je nastala kot plod interdisciplinarnega področja raziskav nanotehnologije, kemije in analitske kemije ter mikrofluidike ob koncu dvajsetega stoletja.
Pri mikrofluidiki gre za znanost in tehnologijo sistemov, ki nadzorujejo majhno količino tekočine s pomočjo kanalov s premerom od nekaj deset do nekaj sto mikrometrov. To so torej kanalčki, ki so tako tanki kot naši lasje. Po tako majhnih kanalčkih se tekočine premikajo [poudarjeno] zgolj in samo usmerjeno naprej in se ne mešajo. V kombinaciji z mikrofluidiko in celičnimi kulturami so nastali tako imenovani organi na čipu, o katerih nam bo več povedala doktorica Mateja Erdani Kreft.
Morda najbolj poznana so pljuča na čipu, ki se s kompleksnostjo organov odzivajo na bakterije in vnetne molekule, z njimi pa so dokazali, da mehansko raztezanje pljuč okrepi vnetni odziv na silicijeve nanodelce. Takšna pljuča lahko razširijo kapacitete celičnih kultur in predstavljajo nizkocenovno alternativo kliničnim raziskavam na živalih. Med najbolj uporabnimi za klinične raziskave bodo nekoč tudi jetra na čipu, saj so jetra glavni organ za presnovo zdravilnih učinkovin. Poznamo pa tudi ledvice na čipu, črevesje na čipu, srce, hrustanec, kožo in kost na čipu. Pravzaprav poznamo že toliko različnih organov na čipu, da se že razvijajo nove tehnologije, ki na enem čipu vsebujejo več kot le en organ, kar imenujemo “telo na čipu” ali pa kar “človek na čipu”.
Drugo obetavno področje raziskav predstavljajo organoidi. Z nami je zopet doktorica Mateja Erdani Kreft z Medicinske fakultete.
Ne glede na vse je za tkanje umetnih organov potrebno imeti ogromno znanja o človeškem telesu in razumevanje bistvenih in zapletenih odgovorov na katerikoli dražljaj. Zato so to zaenkrat še tehnologije prihodnosti.
S tem se naša Frequenza znanosti zaključuje. Če ste pozorno spremljali oddajo, ste danes obnovili srednješolsko znanje celične biologije in biologije človeka, spoznali nekaj nosilcev za umetne organe ter spoznali tkivni inženiring na primeru umetne trebušne slinavke. Izvedeli ste, da se razvijajo organi na čipu, za katere se nadejamo, da jih bomo uporabljali za testiranje različnih zdravil. Skupaj smo odpihnili nekaj prahu, ki so ga dvignili 3D tiskalniki organov in se podučili tako o njihovih prednostih kot o njihovih omejitvah. Od vas, drage poslušalke in cenjeni poslušalci, se poslavljamo v upanju, da nikoli ne boste potrebovali kakšnega umetnega organa.
Umetna tkiva smo stkali Luka, ki si je s 3D tiskalnikom natisnil še en par rok, in pa Živa, katere telo se trenutno nahaja na čipu.
Pod budnim očesom je urednikovala Zarja. Zaradi vseh vsebinskih neskladij pri prebiranju ji je oko odpovedalo, zato je že na čakalni listi za umetnega.
Po lektoriranju oddaje si je morala Marija zaradi tipkanja in popravljanja zamenjati del svoje obrabljene povrhnjice na prstih.
Trebušno slinavko sta si v oddaji vročično podajala Pia in Lovro, zaradi česar so ven popadali vsi Langerhansovi otočki.
Tehniciral pa je Linč, ki ima rajši zvočne nosilce kot pa nosilce umetnih organov.
Dodaj komentar
Komentiraj