Die Fähigkeit des menschlichen Körpers, Gewebe und Organe zu regenerieren, ist äußerst ineffizient, und der Verlust von menschlichem Gewebe und Organen kann leicht aufgrund angeborener Defekte, Krankheiten und plötzlicher Traumata auftreten. Wenn 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, wie z. B. umliegendes Gewebe, Organe, Knochen und Haut.
Hier ist Tissue Engineering nützlich. 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.
Cavan Images / Getty ImagesEine kurze Geschichte
Tissue Engineering ist ein relativ neues Gebiet der Medizin, dessen Forschung erst in den 1980er Jahren beginnt. Ein amerikanischer Bioingenieur und Wissenschaftler namens Yuan-Cheng Fung unterbreitete der National Science Foundation (NSF) einen Vorschlag für ein Forschungszentrum für lebendes Gewebe. Fung nahm das Konzept des menschlichen Gewebes und erweiterte es, um es auf jeden lebenden Organismus zwischen Zellen und Organen anzuwenden.
Auf der Grundlage dieses Vorschlags bezeichnete die NSF den Begriff „Tissue Engineering“, um ein neues Feld der wissenschaftlichen Forschung zu bilden. 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 Feld, 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 einige Hauptfunktionen in Medizin und Forschung: Unterstützung 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, Bereiche des Körpers zu reparieren.
Auf dem Gebiet des Tissue Engineering können Forscher Modelle erstellen, um verschiedene Krankheiten wie Krebs und Herzerkrankungen zu untersuchen.
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. 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 Niere oder Leber) nachahmen. Das Gewebe wächst auf diesen Gerüsten, um den biologischen Prozess oder die Struktur nachzuahmen, die ersetzt werden müssen. Wenn diese zusammen aufgebaut werden, wird neues Gewebe so konstruiert, dass es den Zustand des alten Gewebes nachbildet, wenn es nicht beschädigt oder krank 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 vorhandenen Gerüst wie einem aus einem Spenderorgan aufgebaut werden. Im Fall eines Spenderorgans würde das Gerüst mit Zellen des Patienten kombiniert, um anpassbare Organe oder Gewebe herzustellen, die wahrscheinlich vom Immunsystem des Patienten abgestoßen werden.
Unabhängig davon, wie es gebildet wird, sendet diese Gerüststruktur Nachrichten an die Zellen, die zur Unterstützung und Optimierung der Zellfunktionen im Körper beitragen.
Die Auswahl der richtigen Zellen ist ein wichtiger Bestandteil des Tissue Engineering. Es gibt zwei Haupttypen von Stammzellen.
Zwei Haupttypen von Stammzellen
- Embryonale Stammzellen: stammen von Embryonen, normalerweise aus Eiern, die in vitro befruchtet wurden (außerhalb des Körpers).
- Adulte Stammzellen: Befinden sich im Körper zwischen regulären Zellen - sie können sich durch Zellteilung vermehren, um sterbende Zellen und Gewebe wieder aufzufüllen.
Derzeit wird auch viel an pluripotenten Stammzellen geforscht (adulte Stammzellen, die dazu gebracht werden, sich wie embryonale Stammzellen zu verhalten). Theoretisch gibt es eine unbegrenzte Menge an pluripotenten Stammzellen, und ihre Verwendung beinhaltet nicht das Problem der Zerstörung menschlicher Embryonen (was ebenfalls ein ethisches Problem verursacht). Tatsächlich veröffentlichten Nobelpreisträger ihre Ergebnisse zu pluripotenten Stammzellen und deren Verwendung.
Insgesamt umfassen Biomoleküle vier Hauptklassen (obwohl es auch Sekundärklassen gibt): Kohlenhydrate, Lipide, Proteine und Nukleinsäuren. Diese Biomoleküle helfen beim Aufbau der Zellstruktur und -funktion. Kohlenhydrate unterstützen Organe wie Gehirn und 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 eingesetzt. Es gab einige Fälle, in denen Tissue Engineering bei Hauttransplantationen, Knorpelreparaturen, kleinen Arterien und Blasen bei Patienten eingesetzt wurde. Bei Patienten wurden jedoch noch keine gewebekonstruierten größeren Organe wie Herz, Lunge und Leber verwendet (obwohl sie in Labors hergestellt wurden).
Abgesehen von dem Risikofaktor der Verwendung 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 Entwicklung und Tierversuche.
Beispiele für Tissue Engineering
Ein aktuelles Beispiel für Tissue Engineering, das vom Nationalen Institut für biomedizinische Bildgebung und Bioingenieurwesen 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 Wechselwirkungen mit einem bestimmten Medikament auftreten können.
Um Gewebe mit einem eingebauten Netzwerk zu konstruieren, testen Forscher einen Drucker, der aus einer Zuckerlösung ein vaskuläres Netzwerk herstellen würde. Die Lösung würde sich im manipulierten Gewebe bilden und aushärten, bis dem Prozess Blut zugesetzt wird, das durch die künstlichen Kanäle fließt.
Schließlich ist die Regeneration der Nieren eines Patienten unter Verwendung der eigenen Zellen des Patienten ein weiteres Projekt des Instituts. Die Forscher verwendeten Zellen aus Spenderorganen, um sie mit Biomolekülen und einem Kollagengerüst (aus dem Spenderorgan) zu kombinieren und neues Nierengewebe zu züchten.
Dieses Organgewebe wurde dann sowohl außerhalb als auch innerhalb von Ratten auf seine Funktion (wie das Absorbieren von Nährstoffen und das Produzieren von Urin) getestet. Fortschritte in diesem Bereich des Tissue Engineering (das auch für Organe wie Herz, Leber und Lunge ähnlich funktionieren kann) könnten bei Spenderknappheit helfen und Krankheiten im Zusammenhang mit Immunsuppression bei Organtransplantationspatienten reduzieren.
Wie es sich auf Krebs bezieht
Das metastatische Tumorwachstum ist einer der Gründe, warum Krebs eine der häufigsten Todesursachen ist. Vor dem Tissue Engineering konnten Tumorumgebungen nur in 2D-Form außerhalb des Körpers erstellt werden. Mithilfe von 3D-Umgebungen sowie der Entwicklung und Nutzung bestimmter Biomaterialien (wie Kollagen) können Forscher nun die Umgebung eines Tumors bis in die Mikroumgebung bestimmter Zellen 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 des Krebses als auch die Auswirkungen bestimmter therapeutischer Ansätze auf Patienten mit derselben Krebsart zu verstehen.
Während Fortschritte bei der Untersuchung von Krebs durch Tissue Engineering 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 Implantation des technischen Gewebes in einen lebenden Organismus beseitigt werden können.
Bei Krebs kann Tissue Engineering jedoch dazu beitragen, festzustellen, wie sich diese Tumoren bilden, wie normale Zellinteraktionen aussehen sollten und wie Krebszellen wachsen und metastasieren. Dies hilft Forschern, Medikamente zu testen, die nur Krebszellen betreffen, im Gegensatz zum gesamten Organ oder Körper.
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