WikiDer > Биореактор in vivo

In vivo bioreactor

В биореактор in vivo это тканевая инженерия парадигма, которая использует биореактор методика выращивания неоткани in vivo, которая увеличивает или заменяет неисправную естественную ткань. Принципы тканевой инженерии используются для создания замкнутого искусственного пространства биореактора. in vivo который принимает тканевый каркас и ключевые биомолекулы, необходимые для роста неоткани. Указанное пространство часто требует инокуляции плюрипотентным или специфическим стволовые клетки для стимулирования начального роста и доступа к источнику крови. Источник крови позволяет набирать стволовые клетки из организма наряду с доставкой питательных веществ для непрерывного роста. Эта доставка клеток и питательных веществ к биореактор в конечном итоге приводит к образованию продукта неоткани.

Обзор

Концептуально биореактор in vivo возник из-за осложнений в методе ремонта кость перелом, потеря костной массы, некроз и реконструкция опухоли, известные как костная пластика. Традиционные стратегии костной пластики требуют свежей аутологичной кости, взятой из гребень подвздошной кости; это место сбора ограничено количеством кости, которое можно безопасно удалить, а также связанной с этим болью и болезненностью.[1] Другие методы включают трупные аллотрансплантаты и синтетические варианты (часто сделанные из гидроксиапатит), которые стали доступны в последние годы. В ответ на вопрос об ограниченных источниках костной ткани было высказано предположение, что кость можно вырастить так, чтобы она соответствовала поврежденной области внутри тела, за счет применения принципов тканевой инженерии.[2]

Тканевая инженерия - это дисциплина биомедицинской инженерии, которая сочетает в себе биологию, химию и инженерию для создания неоткани (вновь сформированной ткани) на каркасе.[3] Тканевые каркасы функционально идентичны найденному внеклеточному матриксу, действуя как сайт, на котором адсорбируются регенеративные клеточные компоненты, чтобы стимулировать рост клеток.[4] Этот клеточный рост затем искусственно стимулируется добавлением факторы роста в среде, которая поощряет формирование ткани. Каркас часто засевают стволовыми клетками и ростовыми добавками, чтобы способствовать плавному переходу от клеток к тканям, а в последнее время и к органам. Традиционно этот метод тканевой инженерии выполняется in vitro, где компоненты каркаса и воздействия окружающей среды воссоздают in vivo стимулы, которые направляют рост. Манипуляции с окружающей средой включают изменения физической стимуляции, pH, градиентов потенциала, градиентов цитокинов и концентрации кислорода.[5] Основная цель тканевой инженерии in vitro - создать функциональную ткань, эквивалентную нативной ткани с точки зрения состава, биомеханических свойств и физиологических характеристик.[6] Однако тканевая инженерия in vitro страдает ограниченной способностью имитировать условия in vitro, что часто приводит к неадекватным тканевым заменителям. Таким образом, тканевая инженерия in vivo была предложена как метод, позволяющий избежать утомительных манипуляций с окружающей средой и использовать естественные стимулы in vivo для управления ростом клеток. Для достижения роста ткани in vivo необходимо создать искусственное пространство биореактора, в котором могут расти клетки. Биореактор in vivo зависит от использования репаративных качеств организма для набора стволовых клеток в имплантированный каркас и использования сосудистой сети для обеспечения всех необходимых компонентов роста.

дизайн

Клетки

Тканевая инженерия, проводимая in vivo, способна привлекать локальные клеточные популяции в пространство биореактора.[2][7] Действительно, был показан диапазон роста неоткани: кости, хрящ, жир, и мышца.[7][8][9][10] Теоретически таким образом можно вырастить любой тип ткани, если будут соблюдены все необходимые компоненты (факторы роста, условия окружающей среды и физические требования). Набор стволовых клеток требует сложного процесса мобилизации из их ниши,[11] хотя исследования показывают, что зрелые клетки, трансплантированные на каркас биореактора, могут улучшить рекрутирование стволовых клеток.[12][13][14] Эти клетки секретируют факторы роста, которые способствуют восстановлению, и их можно совместно культивировать со стволовыми клетками для улучшения образования ткани.

Строительные леса

Материалы каркасов предназначены для улучшения образования тканей за счет контроля местной и окружающей среды.[15][16][17] Каркасы имеют решающее значение для регулирования роста клеток и обеспечивают объем, в котором васкуляризация и дифференцировка стволовых клеток может случиться.[18] Геометрия каркаса значительно влияет на дифференциацию тканей через вопросы физического роста. Для прогнозирования образования ткани с помощью вычислений требуются теории, связывающие вопросы физического роста с дифференцировкой клеток. Современные модели опираются на теорию механорегуляции, широко разработанную Prendergast et al. для прогнозирования роста клеток.[19] Таким образом, возможен количественный анализ геометрии и материалов, обычно используемых в тканевых каркасах.

К таким материалам относятся:

Биореакторы

Методы

Первоначально, уделяя особое внимание росту костей, подкожные карманы использовались для изготовления костной ткани в качестве простой модели биореактора in vivo. Карман - это искусственно созданное пространство между разными уровнями подкожных тканей. фасция. Местоположение обеспечивает регенеративные вопросы имплантата биореактора, но не зависит от ранее существовавшей костной ткани в качестве субстрата. Кроме того, эти биореакторы могут быть обернуты мышечной тканью для стимулирования васкуляризации и роста костей. Другая стратегия заключается в использовании периостальный лоскут, обернутый вокруг биореактора, или сам каркас для создания биореактора in vivo. Эта стратегия использует управляемая регенерация кости схема лечения, и является безопасным методом изготовления костной ткани. Эти «лоскутные» методы упаковки биореактора внутри фасции или обертывания его тканью эффективны, хотя и в некоторой степени случайны из-за ненаправленной васкуляризации, которую эти методы вызывают. Стратегия осевого сосудистого пучка (AVB) требует, чтобы артерия и вена были вставлены в биореактор in vitro для транспортировки факторов роста, клеток и удаления отходов. В конечном итоге это приводит к обширной васкуляризации пространства биореактора и значительному улучшению способности к росту. Эта васкуляризация, хотя и эффективна, ограничена поверхностным контактом, который она может обеспечить между каркасом и капиллярами, заполняющими пространство биореактора. Таким образом, комбинация лоскута и методов AVB может максимизировать скорость роста и сосудистый контакт биореактора, как предложено Ханом и Даем, путем введения сосудистый пучок в каркас, обернутый либо мускулатурой, либо надкостницей.[28] Если в месте роста присутствует неадекватная ранее существовавшая сосудистая сеть из-за повреждения или заболевания, можно использовать артериовенозную петлю (AVL). Стратегия AVL требует, чтобы хирургическое соединение было выполнено между веной артерией, чтобы сформировать артериовенозный свищ который затем помещается в пространство биореактора in vitro, содержащее каркас. Из этой петли образуется капиллярная сеть, которая ускоряет васкуляризацию новой ткани.[29]

Материалы

Материалы, используемые при строительстве пространства биореактора in vivo, широко варьируются в зависимости от типа субстрата, типа ткани и механических требований к выращиваемой ткани. В простейшем случае пространство биореактора будет создано между слоями ткани с помощью инъекций гидрогеля для создания пространства биореактора. Ранние модели использовали непроницаемый силикон саван для подмостков,[6] хотя начались более свежие исследования 3D печать специальные формы для биореакторов для дальнейшего улучшения механических свойств роста биореакторов. Выбор материала камеры биореактора обычно требует, чтобы он был нетоксичным и медицинским, например: «кремний, поликарбонат, и акриловый полимер ».[27] Недавно оба Тефлон и титан были использованы для роста костей.[27] Использовано одно исследование Полиметилметакрилат как камерный материал и полые прямоугольные блоки, напечатанные на 3D-принтере.[30] Еще одно исследование расширило возможности биореактора in vivo, доказав, что сальник подходит как биореакторное пространство и камера. В частности, в пространстве сальника выросла функциональная ткань мочевого пузыря с высокой степенью васкуляризации.[31]

Примеры

Пример реализации подхода IVB был в разработке аутологичных кость вводя кальций альгинат в поднадкостничном месте.[32][33] Надкостница - это мембрана, покрывающая длинные кости, челюстную кость, ребра и череп. Эта мембрана содержит эндогенную популяцию плюрипотентных клеток, называемых периостальными клетками, которые представляют собой тип мезенхимальные стволовые клетки (MSC), которые проживают в камбий слой, т.е. сторона, обращенная к кости. Ключевым этапом процедуры является поднятие надкостницы без повреждения поверхности камбия, и для обеспечения этого был разработан новый метод, называемый гидравлическим подъемом.[34]

Выбор участка поднадкостницы используется потому, что стимуляция слоя камбия с использованием трансформирующего фактора роста-бета приводит к усилению хондрогенез, то есть образование хряща. В процессе развития формирование кости может происходить либо через шаблон хряща, первоначально сформированный МСК, который затем окостеняет в процессе, называемом эндохондральная оссификация или непосредственно от дифференцировки МСК к кости посредством процесса, называемого внутримембранное окостенение. При воздействии на клетки надкостницы кальция из альгинатного геля эти клетки становятся костными клетками и начинают продуцировать костный матрикс посредством внутримембранного процесса окостенения, повторяя все этапы отложения костного матрикса. Распространение парадигмы IVB на разработку аутологичных гиалиновый хрящ также был недавно продемонстрирован.[35] В этом случае вводится агароза, и это вызывает локальные гипоксия, что затем приводит к дифференцировке МСК надкостницы в хондроциты суставов, то есть клетки, аналогичные тем, которые обнаруживаются в суставном хряще. Поскольку этот процесс происходит за относительно короткий период, менее двух недель, и хрящ может трансформироваться в кость, этот подход может обеспечить некоторые преимущества при лечении потери хряща и кости. Однако концепция IVB должна быть реализована на людях, и в настоящее время это делается.

Смотрите также

дальнейшее чтение

  • Чантараваратит П., Сангванич П., Банлунара В., Сунторнвипарт К., Туньякитписал П. (2014). «Губки Acemannan стимулируют регенерацию альвеолярной кости, цемента и периодонтальной связки на модели дефекта фуркации класса II у собак». J. Periodont Res. 49 (2): 164–178. Дои:10.1111 / jre.12090. PMID 23710575.CS1 maint: использует параметр авторов (ссылка на сайт)
  • Бай М., Чжан Т., Лин Т., Чжоу З., Се Х., Чжан В., У Х. (2013). «Управляемая регенерация кости с использованием бесклеточного перикарда крупного рогатого скота на модели нижней челюсти кролика: исследования in vitro и in vivo». J. Periodont Res. 49 (4): 499–507. Дои:10.1111 / jre.12129. PMID 24024647.CS1 maint: использует параметр авторов (ссылка на сайт)
  • Аберле Т., Франке К., Рист Е., Бенц К., Шлосхауэр Б. (2014). «Четырехкомпонентный гидрогель клеточного типа». PLoS ONE. 9 (1): e86740. Дои:10.1371 / journal.pone.0086740. ЧВК 3903574. PMID 24475174.CS1 maint: использует параметр авторов (ссылка на сайт)
  • Ханлари А., Суекама Т. К., Детаморе М. С., Герке С. Х. (2014). «Имитация внеклеточного матрикса: настройка механических свойств гидрогелей хондроитинсульфата путем сополимеризации с олиго (этиленгликоль) диакрилатами». MRS Proceedings. 1622: 13. Дои:10.1557 / опл.2013.1207.CS1 maint: использует параметр авторов (ссылка на сайт)

использованная литература

  1. ^ Дюссельдорп, Джозеф Ричард; Моббс, Ральф Дж. (Сентябрь 2009 г.). «Реконструкция гребня подвздошной кости с целью снижения заболеваемости донорской области: техническое примечание». Европейский журнал позвоночника. 18 (9): 1386. Дои:10.1007 / s00586-009-1108-4. PMID 19653014.
  2. ^ а б Сладкова, Мартина; де Пеппо, Джузеппе (11.06.2014). «Биореакторные системы для инженерии костной ткани человека». Процессы. 2 (2): 494–525. Дои:10.3390 / pr2020494. ISSN 2227-9717.
  3. ^ Икада, Йошито (22 октября 2006 г.). «Проблемы тканевой инженерии». Журнал интерфейса Королевского общества. 3 (10): 589. Дои:10.1098 / rsif.2006.0124. PMID 16971328.
  4. ^ Ораги, Эмека; Наннапараджу, Мадхусудхан; Хан, Васим С. (2011). «Suppl 2: Роль биореакторов в тканевой инженерии для опорно-двигательного приложения». Журнал Открытой Ортопедии. 5: 267. Дои:10.2174/1874325001105010267. PMID 21886691.
  5. ^ Бадилак, Стивен Ф .; Нерем, Роберт М. (23 февраля 2010 г.). «Прогресс тканевой инженерии и регенеративной медицины». Труды Национальной академии наук. 107 (8): 3285–3286. Дои:10.1073 / pnas.1000256107. ISSN 0027-8424.
  6. ^ а б Holt, Ginger E .; Halpern, Jennifer L .; Дован, Томас Т .; Хэмминг, Дэвид; Шварц, Герберт С. (2005). «Эволюция биореактора in vivo». Журнал ортопедических исследований. 23 (4): 916–923. Дои:10.1016 / j.orthres.2004.10.005. ISSN 1554-527X.
  7. ^ а б Стивенс, М. М .; Marini, R.P .; Schaefer, D .; Aronson, J .; Langer, R .; Шастри, В. П. (29 июля 2005 г.). «Инженерия органов in vivo: Костный биореактор». Труды Национальной академии наук. 102 (32): 11450–11455. Дои:10.1073 / pnas.0504705102. ISSN 0027-8424.
  8. ^ Моя, Моника Л .; Чэн, Мин-Хуэй; Хуанг, Чжун-Джу; Francis-Sedlak, Megan E .; Као, Шу-вэй; Опара, Эммануэль С .; Брей, Эрик М. (апрель 2010 г.). «Влияние альгинатных микрогранул, загруженных FGF-1, на реваскуляризацию и адипогенез в модели сосудистой ножки инженерии жировой ткани». Биоматериалы. 31 (10): 2816–2826. Дои:10.1016 / j.biomaterials.2009.12.053. ISSN 0142-9612.
  9. ^ Scime, Энтони (2009). «Достижения в трансплантации миогенных клеток и инженерии ткани скелетных мышц». Границы биологических наук (14): 3012. Дои:10.2741/3431. ISSN 1093-9946.
  10. ^ Stillaert, F.B .; Di Bartolo, C .; Hunt, J.A .; Rhodes, N.P .; Tognana, E .; Monstrey, S .; Блондель, П. (Октябрь 2008 г.). «Клинический опыт человека с клетками-предшественниками жировой ткани, засеянными на губчатые каркасы на основе гиалуроновой кислоты». Биоматериалы. 29 (29): 3953–3959. Дои:10.1016 / j.biomaterials.2008.06.005. ISSN 0142-9612.
  11. ^ а б Маккаллен, Сет Д; Чоу, Андре GY; Стивенс, Молли М. (01.10.2011). «В естественных условиях тканевой инженерии тканей опорно-двигательного аппарата». Текущее мнение в области биотехнологии. Тканевая, клеточная и инженерная инженерия. 22 (5): 715–720. Дои:10.1016 / j.copbio.2011.05.001. ISSN 0958-1669.
  12. ^ Фонг, Элиза Л.С .; Чан, Кейси К .; Гудман, Стюарт Б. (январь 2011 г.). «Стволовые клетки самонаведения в костно-мышечной травме». Биоматериалы. 32 (2): 395–409. Дои:10.1016 / j.biomaterials.2010.08.101. ISSN 0142-9612.
  13. ^ да Силва Мейреллес, Линдольфо; Каплан, Арнольд I .; Нарди, Нэнси Бейер (сентябрь 2008 г.). «В поисках идентичности мезенхимальных стволовых клеток in vivo». Стволовые клетки. 26 (9): 2287–2299. Дои:10.1634 / стволовые клетки.2007-1122. ISSN 1066-5099.
  14. ^ Чен, Ливен; Треджет, Эдвард Э .; Wu, Philip Y.G .; У Яоцзюн (2 апреля 2008 г.). «Паракринные факторы мезенхимальных стволовых клеток привлекают макрофаги и эндотелиальные клетки и улучшают заживление ран». PLoS ONE. 3 (4): e1886. Дои:10.1371 / journal.pone.0001886. ISSN 1932-6203.
  15. ^ Шастри, В. Прасад (06.11.2009). «Инженерия тканей in vivo: биологические соображения, проблемы, стратегии и будущие направления». Передовые материалы. 21 (41): нет данных. Дои:10.1002 / adma.200990155. ISSN 0935-9648.
  16. ^ Место, Элси С .; Эванс, Николас Д .; Стивенс, Молли М. (июнь 2009 г.). «Сложность биоматериалов для тканевой инженерии». Материалы Природы. 8 (6): 457–470. Дои:10.1038 / nmat2441. ISSN 1476-1122.
  17. ^ Чжу, Цзюньминь (июнь 2010 г.). «Биоактивная модификация гидрогелей полиэтиленгликоля для тканевой инженерии». Биоматериалы. 31 (17): 4639–4656. Дои:10.1016 / j.biomaterials.2010.02.044. ISSN 0142-9612.
  18. ^ МАШЛЕР, ДЖОРДЖ Ф .; НАКАМОТО, ЧИЗУ; ГРИФФИТ, ЛИНДА Г. (июль 2004 г.). «ИНЖЕНЕРНЫЕ ПРИНЦИПЫ КЛИНИЧЕСКОЙ КЛЕТОЧНОЙ ТКАНИ». Журнал костной и суставной хирургии - американский том. 86 (7): 1541–1558. Дои:10.2106/00004623-200407000-00029. ISSN 0021-9355.
  19. ^ Prendergast, P.J .; Huiskes, R .; Сёбалле, К. (июнь 1997 г.). «Биофизические стимулы на клетки во время дифференциации тканей на стыках имплантатов». Журнал биомеханики. 30 (6): 539–548. Дои:10.1016 / с0021-9290 (96) 00140-6. ISSN 0021-9290.
  20. ^ а б Ораги, Эмека; Наннапараджу, Мадхусудхан; Хан, Васим С (28 июля 2011 г.). «Роль биореакторов в тканевой инженерии для опорно-двигательного приложения». Журнал Открытой Ортопедии. 5: 267–270. Дои:10.2174/1874325001105010267. ISSN 1874-3250. ЧВК 3149843. PMID 21886691.
  21. ^ Thevenot, Paul T .; Nair, Ashwin M .; Шен, Цзиньхуэй; Лотфи, Париса; Ко, Ченг-Ю; Тан, Липин (май 2010 г.). «Влияние включения SDF-1α в каркасы PLGA на привлечение стволовых клеток и воспалительную реакцию». Биоматериалы. 31 (14): 3997–4008. Дои:10.1016 / j.biomaterials.2010.01.144. ISSN 0142-9612.
  22. ^ Шен, Вэйлян; Чен, Сяо; Чен, Цзялинь; Инь, Цзы; Хэн, Бун Чин; Чен, Вэйшань; Оуян, Хун-Вэй (октябрь 2010 г.). «Влияние включения фактора-1 альфа, происходящего из экзогенных стромальных клеток, в вязанный шелково-коллагеновый губчатый каркас на регенерацию сухожилий». Биоматериалы. 31 (28): 7239–7249. Дои:10.1016 / j.biomaterials.2010.05.040. ISSN 0142-9612.
  23. ^ БАДЫЛАК, S; ФРЕЙТЕС, Д; ГИЛБЕРТ, Т. (январь 2009 г.). «Внеклеточный матрикс как материал биологического каркаса: структура и функции». Acta Biomaterialia. 5 (1): 1–13. Дои:10.1016 / j.actbio.2008.09.013. ISSN 1742-7061.
  24. ^ Чжан, Шумин; Гринфилд, Меган А .; Мата, Альваро; Палмер, Лиам К.; Биттон, Ронит; Mantei, Jason R .; Апарисио, Конрадо; де ла Крус, Моника Ольвера; Ступп, Сэмюэл И. (13.06.2010). «Путь самосборки к выровненным монодоменным гелям». Материалы Природы. 9 (7): 594–601. Дои:10.1038 / nmat2778. ISSN 1476-1122.
  25. ^ «Супрамолекулярные ГАГ-подобные самоорганизующиеся гликопептидные нановолокна вызывают хондрогенез и регенерацию хряща». dx.doi.org. Получено 2020-12-02.
  26. ^ "PB33 Autologous in vitro хрящ. Разработка, характеристика, применение". Остеоартрит и хрящ. 9: S53 – S54. Сентябрь 2001 г. Дои:10.1016 / с1063-4584 (01) 80358-7. ISSN 1063-4584.
  27. ^ а б c d Яп, Кирю К .; Да, Джордж К .; Моррисон, Уэйн А .; Митчелл, Джеральдин М. (2018-10-01). «Васкуляризованная камера как биореактор in vivo». Тенденции в биотехнологии. 36 (10): 1011–1024. Дои:10.1016 / j.tibtech.2018.05.009. ISSN 0167-7799.
  28. ^ Чжан, Хайфэн; Мао, Сиюань; Чжао, Даньян; Цзян, Вэньбо; Ду, Цзицзин; Ли, Цинфэн; Цзян, Чаохуа; Хан, Дон (2017-11-10). «Трехмерные напечатанные композитные каркасы на основе полимолочной кислоты и гидроксиапатита для предварительного изготовления васкуляризированной тканевой инженерной кости: модель биореактора in vivo». Научные отчеты. 7 (1): 15255. Дои:10.1038 / s41598-017-14923-7. ISSN 2045-2322.
  29. ^ Локмич, Зерина; Стилларт, Филип; Моррисон, Уэйн А .; Томпсон, Эрик В .; Митчелл, Джеральдин М. (февраль 2007 г.). «Артериовенозная петля в защищенном пространстве создает постоянную, сильно васкулярную, тканевую конструкцию». Журнал FASEB: официальное издание Федерации американских обществ экспериментальной биологии.. 21 (2): 511–522. Дои:10.1096 / fj.06-6614com. ISSN 1530-6860. PMID 17172640.
  30. ^ Татара, Александр М .; Кунс, Джерри Л .; Уотсон, Эмма; Piepergerdes, Trenton C .; Shah, Sarita R .; Смит, Брэндон Т .; Шум, Джонатан; Мелвилл, Джеймс С.; Hanna, Issa A .; Демиан, Наги; Хо, Тан (2019-04-02). «Реконструкция нижней челюсти с использованием биоматериалов с использованием биореакторов in vivo». Труды Национальной академии наук. 116 (14): 6954–6963. Дои:10.1073 / pnas.1819246116. ISSN 0027-8424. PMID 30886100.
  31. ^ Баумерт, Эрве; Саймон, Паскаль; Хекмати, Мехрак; Фромонт, Гаэль; Леви, Мэрилин; Балатон, Андре; Молини, Винсент; Малаво, Бернар (01.09.2007). "Разработка засеянного каркаса в большом сальнике: возможность создания биореактора in vivo для тканевой инженерии мочевого пузыря". Европейская урология. 52 (3): 884–892. Дои:10.1016 / j.eururo.2006.11.044. ISSN 0302-2838.
  32. ^ Стивенс, Молли М .; Марини, Роберт П .; Шефер, Дирк; Аронсон, Джошуа; Лангер, Роберт; Шастри, В. Прасад (8 июня 2005 г.). «Инженерия органов in vivo: Костный биореактор». Труды Национальной академии наук США. 102 (32): 11450–11455. Дои:10.1073 / pnas.0504705102. ЧВК 1183576. PMID 16055556.
  33. ^ Сервис, Роберт Ф. (29 июля 2005 г.). «Техника использует тело как« биореактор »для выращивания новой кости». Наука. 309 (5735): 683. Дои:10.1126 / science.309.5735.683a. PMID 16051759.
  34. ^ Марини, Роберт П .; Стивенс, Молли М .; Лангер, Роберт; Шастри, В. Прасад (2004). «Гидравлическое поднятие надкостницы: новая техника для извлечения надкостницы». Журнал следственной хирургии. 17 (4): 229–233. Дои:10.1080/08941930490472073. PMID 15371165.
  35. ^ Эманс, Питер Дж .; Лодевийк В. ван Рейн; Велтинг, Тим Дж. М .; Кремерс, Энди; Виджнандс, Нина; Спапен, Франк; Дж. Вонкен, Виллем; Шастри, В. Прасад (7 января 2010 г.). «Аутологичная инженерия хряща». Труды Национальной академии наук США. 107 (8): 3418–3423. Дои:10.1073 / pnas.0907774107. ЧВК 2840469. PMID 20133690.