Materiały stosowane na podłoża do hodowli tkankowych

Urazy, infekcje lub zmiany nowotworowe są typowymi przykładami sytuacji, które mogą doprowadzić do uszkodzenia lub utraty tkanek i narządów wewnętrznych. Drobne uszkodzenia mogą się zregenerować samodzielnie lub z pomocą niewielkiej interwencji chirurga. Duże ubytki wymagają wszczepienia implantu. Idealną sytuacją byłaby odbudowa zniszczonych tkanek. Zagadnieniem tym zajmuje się medycyna regeneracyjna, natomiast inżynieria tkankowa staje się głównym motorem rozwoju medycyny regeneracyjnej.

Inżynieria tkankowa skupia się na możliwościach połączenia komórek z biodegrado-walnymi matrycami przestrzennymi, tak aby wytworzoną konstrukcję można było wszcze-pić w miejscu uszkodzenia.

Podstawowym źródłem komórek jest szpik kostny, w którym występują tzw. komórki prekursorowe. Komórki te madają praktycznie nieograniczoną zdolność odnawiania się i różnicowania w rozmaite tkanki. Z pobranego materiału wyodrębnia się komórki

prekur-sorowe, które następnie namnaża się w odpowiednich warunkach (tzw. proliferacja) lub bezpośrednio nanosi na matrycę przestrzenną. Budowa matrycy powinna umożliwiać przy-łączenie się komórek do podłoża, proliferację, migrację komórek do wnętrza matrycy i ich różnicowanie. Po osiągnięciu pożądanej struktury następuje wszczepienie hodowli w miejscu, które wymaga regeneracji. Z czasem wszczepiona tkanka łączy się z otaczają-cymi ją tkankami, a matryca ulega biodegradacji.

Materiałami stosowanymi do wytwarzania podłoży do hodowli tkankowych są głów-nie polimery, materiały węglowe oraz ceramika [37, 42, 54]. Zastosowagłów-nie, główgłów-nie do regeneracji tkanki kostnej, znalazły również kompozyty organiczno-nieorganiczne. Obiecu-jące wyniki uzyskuje się dla kompozytu, w którym nanocząstki hydroksyapatytu są umiesz-czone w matrycy kolagenowej.

Biopolimery, np. kolagen czy kwas hialuronowy, mają korzystne właściwości, takie jak wysoka skuteczność przyłączania i namnażania komórek. Jednak słabe właściwości mechaniczne i potencjalne ryzyko przeniesienia chorób czynią je mniej atrakcyjnymi. Al-ternatywą są polimery syntetyczne, takie jak polifumarany, polilaktydy, poliglicydy i ich kopolimery oraz polikaprolakton.

Matryca polimerowa musi mieć odpowiednią strukturę na poziomie, zarówno makro-skopowym, jak i mikromakro-skopowym, aby możliwe były adhezja, namnażanie komórek i ich migracja do wnętrza matrycy, aż do utworzenia trójwymiarowej struktury będącej odpo-wiednikiem naturalnej tkanki. Podłoża z polimerów biodegradowalnych wytwarza się głównie w postaci tkanin lub gąbek. Struktura taka umożliwia swobodny przepływ tlenu i metabolitów niezbędnych do rozwoju komórek oraz ułatwia integrację nowo powstającej tkanki z matrycą. Przykładową porowatą strukturę podłoża do hodowli tkankowej (w po-staci gąbki), wykonaną z kopolimeru kwasu mlekowego i glikolowego, pokazano na rys. 9.4a. Widoczne są pory o wymiarach do 100 μm. Dalej, na rys. 9.4b i c widoczna jest struktura podłoża w postaci tkaniny wykonanej z włókien z polikaprolaktonu. Strukturę na poziomie mikro- i nanoskopowym można kontrolować, modyfikując warunki procesu otrzymywania polimerów, np. dokonując zmiany rozpuszczalnika.

Z dużym zainteresowaniem spotykają się również materiały hydrożelowe. Hydrożele złożone z kopolimerów akrylamidu z akrylanami i roztworów soli fizjologicznej stanowią bardzo dobre podłoże do hodowli komórek i tkanek. Ich głównymi zaletami są wysoka przepuszczalność tlenu i innych rozpuszczalnych w wodzie metabolitów, dobra biokompa-tybilność oraz właściwości fizyczne upodabniające je do tkanek miękkich. Dodatkowo, hodowlę na hydrożelu można umieścić w regenerowanym miejscu za pomocą iniekcji, co eliminuje konieczność przeprowadzania zabiegu chirurgicznego. Odpowiednio przygoto-wane hydrożele na bazie poli(glikolu etylenowego), poli(alkoholu winylowego) lub kopo-limerów na bazie poli(tlenku etylenu) i poli(tlenku propylenu) stanowią doskonałe podłoże do hodowli tkanki chrzęstnej.

Stosowane są również materiały węglowe w postaci włókien oraz kompozytów wę-glowo-węglowych i węglowo-polimerowych. Charakteryzują się one dużą wytrzymałością i biozgodnością oraz dużą zdolnością adhezji komórek.

Chociaż grupa stosowanych materiałów stale się powiększa, nadal istnieje problem niewystarczającej adhezji komórek i tkanek do podłoża. W celu poprawy adhezji tkanek do podłoża stosuje się te same związki, które są wykorzystywane do łączenia tkanek (kleje fibrynowe, cyjanoakrylowe). Aby poprawić adhezję komórek do podłoża oraz adhezję hodowli do otaczających ją tkanek po wszczepieniu, matrycę polimerową można również poddać modyfikacji chemicznej. Wprowadza się grupy funkcyjne, które mogą tworzyć wiązania ze związkami występującymi w komórkach i tkankach. Innym sposobem poprawy

66

adhezji podłoża jest metoda zainspirowana budową przylg gekonów. Przylgi te składają się z wypustek o grubości 200 nm, które tworzą uporządkowane struktury. Analogicznie, na powierzchnię podłoża nanosi się samoorganizujące się cząstki, np. nanorurki polipeptydo-we, które tworzą równą warstwę przypominającą szczotkę. Taka struktura powoduje, że osadzane na podłożu komórki są zatrzymywane działaniem sił międzycząsteczkowych.

Oddziaływania międzycząsteczkowe są słabe, jednak zastosowana technika sprawia, że sumaryczne oddziaływania są wystarczająco duże, aby unieruchomić komórkę na podłożu.

Oprócz samoorganizujących się cząstek do wytworzenia podobnej struktury można wyko-rzystać metody fotolitograficzne.

a)

b)

c)

Rys. 9.4. Zdjęcia z mikroskopu elektronowego podłoża do hodowli tkankowej:

a) w postaci gąbki. Zaadaptowane z [2]. Copyright 2010, Elsevier; b) w postaci tkaniny, widok z góry; c) w postaci tkaniny widok z boku. Zaadaptowane z [28]. Copyright 2000, Elsevier

Obecnie metody inżynierii tkankowej wykorzystuje się powszechnie w transplantolo-gii. Możliwe jest odtwarzanie naskórka potrzebnego do autoprzeszczepów (leczenie rozle-głych oparzeń i przewlekłych owrzodzeń), fragmentów wątroby czy jelit. Rekonstrukcja zastawek serca z wykorzystaniem metod inżynierii tkankowej pozwala uniknąć wielu ogra-niczeń związanych z ich zastępowaniem chirurgicznym (jak incydenty zatorowo- -zakrzepowe, odrzucenie czy zainfekowanie przeszczepianej tkanki). Jednym z najambit-niejszych projektów badawczych w dziedzinie inżynierii tkankowej jest uzyskanie wytwo-rzonego in vitro elementu filtrującego, zastępującego nerki. Największym osiągnięciem inżynierii tkankowej jest rekonstrukcja palca ludzkiego.

10. MATERIAŁY STOSOWANE W KARDIOLOGII