Биоматериалы для восстановления органов и тканей
Органы и ткани человеческого тела достаточно устойчивы к износу в повседневной жизни, но они все равно могут выйти из строя по разным причинам. Регенеративная медицина - это область, изучающая новые инструменты для восстановления и замены поврежденных органов и тканей. Регенеративная медицина включает в себя огромное количество методов лечения, например, терапию стволовыми клетками и биоматериалы. Биоматериалы - это материалы, созданные для взаимодействия с человеческим телом. Они могут быть сконструированы из различных материалов для разных целей и структурно похожи на орган или ткань, которую необходимо восстановить. Область биоматериалов постоянно развивается, и по мере того, как мы продолжаем узнавать все больше о взаимодействии биоматериалов с организмом на клеточном уровне, разрабатываются все новые и новые методы лечения с помощью биоматериалов.
Биоматериалы: Строительные блоки для восстановления тканей
Органы и ткани в человеческом теле выполняют очень специфические, сложные функции. Наша жизнь зависит от того, насколько правильно и круглосуточно работают эти органы. Однако иногда органы и ткани повреждаются и выходят из строя из-за болезней или несчастных случаев. Существует множество методов лечения поврежденных органов, но многие из них не способны восстановить орган так, чтобы он снова заработал в полную силу. Например, существующие методы лечения не улучшают работу сердца после инфаркта.
Регенеративная медицина - это область исследований, которая предоставляет новые инструменты для восстановления отказавших органов и замены поврежденных тканей [ 1 ]. Регенеративная медицина использует так называемую тканевую инженерию для разработки новых стратегий восстановления поврежденных органов и тканей. Тканевая инженерия означает использование биологии, химии и инженерии для создания новых материалов, совместимых с человеческим организмом и используемых для восстановления или замены органов и тканей [ 2 ]. Существует широкий спектр методов лечения, входящих в область регенеративной медицины, и биоматериалы являются одним из наиболее часто используемых инструментов. Биоматериалы похожи на строительные блоки Lego® и используются для восстановления тканей и органов, таких как сердце, кожа, роговица и нервная система [ 3 ]. Биоматериалы - это материалы, предназначенные для введения в организм с целью замены или восстановления поврежденных органов или тканей. Биоматериалы часто обладают особыми свойствами, которые позволяют им находиться в контакте с человеческими клетками, тканями и органами, не отторгаясь организмом. Биоинженерия - это название области, которая создает и использует биоматериалы для улучшения существующих методов лечения [2, 3].
Регенеративная медицина также использует различные способы применения своих методов лечения, чтобы они работали эффективно. К регенеративным методам лечения относятся: (1) клеточная терапия с использованием стволовых клеток - незрелых клеток, которые потенциально могут стать или произвести любую необходимую клетку или ткань, (2) биоинженерия с использованием биоматериалов, как мы описали здесь, и (3) лекарственные препараты и медикаментозное лечение [1, 3]. По мере развития регенеративной медицины меняются и способы ее применения, часто путем комбинирования существующих методов или создания новых, более подходящих для лечения. Биоматериалы, биоинженерия и регенеративная медицина в настоящее время играют ведущую роль в разработке новых методов лечения, особенно в восстановлении органов, которые ранее считались неремонтопригодными.
История биоматериалов
Биоматериалы значительно усовершенствовались с тех пор, как были впервые разработаны, и продолжают меняться, поскольку ученые продолжают больше понимать о болезнях и о том, как биоматериалы взаимодействуют с организмом [3]. Биоматериалы могут быть созданы из различных материалов, в зависимости от того, для чего они будут использоваться [2, 3]. Например, они могут быть изготовлены из различных типов природных компонентов, таких как коллаген, который содержится в организме, или альгинат, получаемый из морских водорослей, синтетических материалов, таких как металл, или их комбинации [2, 3]. Самые ранние биоматериалы не взаимодействовали с человеческим телом, но по своим физическим свойствам были схожи с поврежденными органами, для восстановления или замены которых они использовались. Эти материалы часто создавались из различных металлов, керамики или веществ, таких как резина. Эти ранние биоматериалы обычно использовались в качестве протезов - искусственных частей тела, таких как нога или сердце, но они плохо сочетались с организмом, поэтому их часто отторгали. Эти ранние материалы не могли взаимодействовать с организмом на клеточном уровне, на что нацелены современные биоматериалы. Достижения в разработке новых биоматериалов привели к появлению материалов, которые могут взаимодействовать с организмом, способствуя заживлению и регенерации. Эти новые биоматериалы считаются биоактивными, то есть они могут взаимодействовать с организмом и образовывать химические связи с тканями. Это видно на примере имплантатов тазобедренного сустава, которые способствуют росту костной ткани, позволяя слою кальция, называемому гидроксиапатитом, расти
Какую форму имеют биоматериалы?
Биоматериалы могут принимать самые разные формы и изготавливаться из самых разных материалов. В идеале биоматериалы должны иметь пористую структуру, то есть иметь небольшие отверстия, которые позволяют газам, жидкостям и даже клеткам двигаться через них, подобно органу или ткани, которые они призваны лечить. В маленькие поры биоматериала также можно загружать клетки, которые помогают заживлению [2]. Таким образом, пористый биоматериал можно использовать для доставки клеток в поврежденную ткань. Биоматериал помогает удерживать новые клетки в ткани, где они необходимы для заживления. Кроме того, пористая структура биоматериала очень похожа на "внеклеточный матрикс" - строительные леса, на которых "держатся" клетки в организме [2, 3]. Биоматериалы могут либо использоваться сами по себе в качестве лечения, либо, как в приведенном выше примере, быть модифицированы, чтобы содержать лекарства или клетки для восстановления поврежденных тканей (рис. 1). Например, биоматериалы можно использовать для восстановления сердца после инфаркта. Они могут использоваться сами по себе или содержать стволовые клетки - клетки, обладающие способностью превращаться в различные типы клеток, в том числе в клетки сердца. Некоторые биоматериалы можно подготовить к тому, чтобы они разрушались после окончания заживления [2, 3]. Биоматериалы также могут выделять определенные лекарства, которые помогают в процессе заживления [1, 3]. Будущие разработки в области биоматериалов могут привести к созданию множества новых методов лечения, включая искусственные органы. Это позволит избавиться от долгого ожидания
Биоматериалы могут помочь вылечить не заживающие органы
Органы отказывают по разным причинам, часто из-за сочетания факторов. Сердце - один из самых распространенных органов, который чаще всего выходит из строя, и один из самых трудноизлечимых. Сердечно-сосудистые заболевания (ССЗ) - это термин, используемый для обозначения болезней, которые поражают сердце и кровеносные сосуды. Пациенты с ССЗ подвержены риску сердечных приступов, которые могут привести к значительному повреждению сердца и гибели сердечных клеток [2, 4 ]. Это повреждение приводит к потере сердечной мышцы, которая состоит из бьющихся клеток, называемых "кардиомиоцитами". Потеря кардиомиоцитов снижает способность сердца перекачивать кровь по всему телу [1, 2, 4]. Раньше мы считали, что кардиомиоциты не способны к регенерации. Однако недавно было обнаружено, что кардиомиоциты обладают определенной способностью к регенерации [1]. Пока мы продолжаем изучать регенеративные способности человеческого организма, многие органы, например сердце, заживают медленно, что затрудняет лечение любых повреждений этих органов. Трансплантация - один из вариантов замены поврежденной ткани или органа. Однако существует острая нехватка органов, доступных для пересадки. В Канаде каждую неделю умирает около пяти пациентов, ожидающих пересадки органов [ 5 ]. В качестве альтернативы трансплантации органов регенеративная медицина показывает себя как терапия для восстановления сердца и других медленно заживающих органов, как показано на рисунке 2.
Но подождите... Есть ли ограничения?
Хотя биоматериалы подают большие надежды, они все еще являются развивающимся методом лечения, и их потенциал еще не изучен. Некоторые ограничения биоматериалов связаны с тем, как они взаимодействуют с телом пациента. Например, хотя биоматериалы способны имитировать 3D-среду восстанавливаемого органа или ткани, они все равно отличаются от настоящего органа, и это может ограничить регенерацию тканей. Например, биоматериалы, помещенные в сердце, должны быть способны сокращаться вместе с бьющимся сердцем, иначе они могут вызывать нерегулярное сердцебиение [2]. Кроме того, в прошлом биоматериалы не позволяли пропускать через сердце достаточное количество кислорода для поддержания его здоровья [2]. Наконец, до сих пор биоматериалы могли восстанавливать только область размером примерно в четверть сердца, поэтому в случае обширного инфаркта, при котором повреждается большая часть сердца, они не так полезны [1, 2]. По мере того как ученые будут продолжать изучать глубинные причины заболеваний, они смогут разрабатывать новые биоматериалы для лечения большего количества болезней. Кроме того, сами биоматериалы продолжают совершенствоваться, что, как мы надеемся, приведет к появлению материалов, способных успешно лечить широкий спектр заболеваний.
Другие ограничения биоматериалов не столько физические, сколько связаны с вопросами этики (моральных ценностей и правил) и законов, регулирующих их использование. Существуют этические проблемы, связанные с типом используемых материалов и их происхождением, например, этично ли использовать материалы, взятые у человека, для изготовления этих материалов?
Во-вторых, регулирование биоматериалов с целью обеспечения их безопасности для пациентов может быть затруднено, поскольку существует такой широкий спектр биоматериалов, состоящих из различных компонентов и используемых для различных целей. Нам нужны лучшие способы убедиться в том, что эти новые методы лечения эффективны в регенерации поврежденных органов и тканей и не вредят пациентам.
Заключение
В области биоматериалов и регенеративной медицины достигнут значительный прогресс, но еще многое предстоит сделать. Следующее поколение ученых должно продолжать изучать и понимать взаимодействие между человеческим организмом и биоматериалами, чтобы разработать новые, более эффективные методы лечения.
