Justyna Miszkiewicz

Medycyna regeneracyjna jest jednym z najprężniej rozwijających się współczesnych zagadnień. Szacuje się, że światowy rynek medycyny regeneracyjnej będzie wart w 2015 r. ponad 290 mld dolarów. Ta interdyscyplinarna dziedzina ma na celu wymianę, tworzenie lub regenerację ludzkich komórek, tkanek lub narządów, aby przywrócić normalne funkcjonowanie ustroju. Odpowiada ona głównie na potrzeby pacjentów cierpiących na choroby oporne na konwencjonalne metody leczenia, wymagających specyficznych terapii lub przeszczepów, ale stwarza również ogromną szansę na skuteczniejsze leczenie i skrócenie czasu rekonwalescencji dla pozostałych grup pacjentów.

Nanomarteriały są powszechnie stosowane w medycynie regeneracyjnej między innymi do tworzenia rusztowań, na których wzrastają komórki, rozwoju nowych i wydajnych urządzeń dostarczających leki, modyfikacji komórkowej i tworzenia nanourządzeń takich jak biosensory.

Nanomateriały składają się z elementów (włókien, ziaren, cząstek), których wielkość nie przekracza 100 nm. Do produkcji nanomateriałów stosuje się powszechnie używane w produkcji rusztowań w skali mikro metale, ceramikę, polimery syntetyczne i naturalne lub kompozyty powstałe z ich połączeń. Obdarzane są one szczególnym zainteresowaniem przez medycynę regeneracyjną, ponieważ posiadają unikalne właściwości powierzchniowe, które zwiększają adsorpcję białek i adhezję komórek, a także poprawiają znacznie interakcje pomiędzy białkami i komórkami.

Jednym z ciekawszych zastosowań są bioaktywne i biodegradowalne nanokompozyty wykorzystywane między innymi do regeneracji kości. Mogą być one wytworzone przez dodanie nieorganicznych nanocząstek lub nanowłókien do różnych matryc polimerowych. Dzięki takiej budowie, wiernie przypominają one struktury żywego organizmu, które są zbudowane z elementów o mikro- i nanorozmiarach.

Bardzo dobre rezultaty dla tego typu materiałów uzyskano stosując naturalny hydroksyapatyt w połączeniu z matrycą z polikaprolaktonu (PCL) lub kwasu polimlekowgo (PLA).

Kolejną interesującą grupę stanowią nanowłókna, które są materiałami zbudowanymi z włókien o średnicy w skali nano, natomiast o długości w skali mikro (1-100 μm). Włókna mogą być wykonane zarówno z polimerów syntetycznych jak i pochodzenia naturalnego. Spośród naturalnych materiałów najczęściej stosowane są białka strukturalne pozyskiwane z ECM (Extracellular Matrix) lub biopolimery pozyskiwane z owadów lub skorupiaków, takie jak fibroina czy chitozan.

Sposród materiałów syntetycznych najczęściej stosowane są poli(kwas mlekowy) (PLA), poli(kwas glikolowy) (PGA) oraz polikaprolakton (PCL) przy czym za najlepszy uważany jest PCL.

Nanowłókna otrzymywane są obecnie najczęściej przy użyciu elektroprzędzenia. Metoda ta polega na otrzymywaniu włókien ze stopionych polimerów lub ich roztworów z zastosowaniem wysokiego napięcia. Urządzenie do elektroprzędzenia składa się ze zbiornika na rozpuszczony lub stopiony polimer zakończony dyszą, dwóch elektrod, stałoprądowego źródła wysokiego napięcia i kolektora w formie uziemionej płyty, na której osadzane jest przędzone włókno.

Stopiony lub rozpuszczony polimer wychodzący przez dyszę poddawany jest działaniu sił pola elektrostatycznego, które nadają mu kształt włókna. Kształtowane włókno przesuwa się w kierunku kolektora ruchem spiralnym, wzdłuż linii sił pola elektrostatycznego, zmniejszając jednocześnie swoją średnicę.

Morfologia utworzonych nanowłókien uzależniona jest od parametrów przędzenia, ale również zależy od szeregu innych czynników, takich jak skład roztworu polimeru, jego lepkość, użyty rozpuszczalnik czy struktura kolektora.

Podstawową zaletą nanowłókien jest ich podobieństwo do ECM zarówno pod względem zbliżonej grubości włókien jak i właściwości mechanicznych, przez co komórki traktują je jak natywne środowisko. Nanowłókna wykorzystywane są najczęściej do odtwarzania tkanek zarówno płaskich jak i przestrzennych lub jako opatrunki zewnętrzne, wewnętrzne lub materiały izolacyjne zapobiegające zrostom. Intensywne badania są prowadzone nad wykorzystaniem nanowłókien jako systemów dostarczania leków, które łączą w sobie biozgodność i biodegradowalność z możliwością uzyskania korzystnych profili uwalniania leków. Lek w tych nośnikach może być zarówno rozpuszczony w matrycy, uwięziony pomiędzy cząsteczkami polimeru, zakapsułkowany w membranie lub związanydo powierzchni wiązaniami chemicznymi.

Komórki macierzyste charakteryzują się nieograniczoną zdolnością do podziałów, samoodnawiania i tworzenia różnych tkanek organizmu. Ze względu na pochodzenie możemy wyróżnić komórki macierzyste zarodka (ESCs) i somatyczne komórki macierzyste. Te pierwsze pochodzą z wczesnych faz rozwoju zarodka i są totipotencjalne. Te drugie są niezróżnicowanymi komórkami znajdującymi się w wykształconych tkankach i mają ograniczoną zdolność zróżnicowania się tylko w kilka typów komórek. Pośrednim rodzajem komórek macierzystych są multipotentne, płodowe komórki macierzyste.

Spośród wymienionych rodzajów, najintensywniejsze prace prowadzi się nad ESCs oraz płodowymi komórkami macierzystymi, ze względu na fakt, że po implementacji in vivo nie tworzą guzów, a ich pozyskanie jest wolne od zastrzeżeń etycznych, którymi obciążone są embrionalne komórki macierzyste.

Podjęte przez badaczy wysiłki w kierunku regeneracji mięśnia sercowego przez wszczepienie kardiomiocytów uzyskanych z ESCs do uszkodzonego organu z wykorzystaniem zwierzęcych modeli choroby serca zakończyły się sukcesem. Podobne badania prowadzi się również z użyciem somatycznych komórek macierzystych uzyskanych ze szpiku kostnego.

Niemniej jednak, rozpatrując somatyczne komórki macierzyste, największe nadzieje budzą badania nad odbudową funkcji rdzenia kręgowego przy użyciu oligodendrocytowych komórek progenitorowych Oligodendrocyty to komórki, które naturalnie występują w układzie nerwowym i pełnią kilka ważnych funkcji, w tym produkują mielinę. Badania prowadzone na modelach zwierzęcych wykazały, że po wstrzyknięciu tych komórek do uszkodzenia w rdzeniu kręgowym przekształcały się one w dojrzałe oligodendrocyty i odbudowywały osłonkę mielinową oraz produkowały czynniki neurotroficzne, dzięki czemu poprawie ulegały funkcje motoryczne badanych zwierząt.

Obiecujące są także badania z wykorzystaniem mezenchymalnych komórek macierzystych, które potrafią różnicować się w kierunku wyspecjalizowanych komórek będących elementami składowymi tkanek i organów ale także wytwarzających różne czynniki wzrostu oraz cytokiny umożliwiającekomórkom regenerację lub różnicowanie w określonym kierunku. Ze względu na swoje właściwości znalazły one zastosowanie w regeneracji, między innymi tkanki chrzęstnej i kostnej. Wykazano, że w określonych warunkach in vitro możliwe jest stymulowanie mezenchymalnych komórek macierzystych wyizolowanych z różnych źródeł do różnicowania w kierunku osteoblastów. Przykładowa mieszanina może składać się z deksametazonu, kwasu askorbinowego, oraz 10β fosforanu glicerolu. Natomiast prowadząc hodowlę z użyciem medium hodowlanego zawierającego duże stężenie glukozy oraz czynnika wzrostu TGF-β3, komórki te mogą przekształcić się w chondrocyty.

Rys. 4. Komórki szpikowe mezenchymalnych komórek macierzystych były hodowane w warunkach, które promowały różnicowanie w kierunku mięśni (obraz po lewej), nerwów (obraz pośrodku) oraz chrząstki (obraz po prawej). Mezenchymalne komórki macierzyste hodowane w niewielkiej ilości serum tworzą komórki mięśniowe, podczas gdy hodowane w obecności forskolinu lub TGF-beta w nerwy lub komórki chrzęstne.

Żywe organizmy są zdolne do syntezy szerokiego wachlarza związków, które można wykorzystać w medycynie regeneracyjnej. Można je generalnie zaliczyć do trzech klas związków : polisacharydów, białek i poliestrów. Cieszą się one dużym zainteresowaniem ze względu na swoją bioakceptowalność i znane mechanizmy degradacji. Niemniej jednak stwarzają one również pewne problemy związane z możliwą immunogennością, skomplikowaną strukturą oraz gorszymi właściwościami biomechanicznymi.

Spośród związków pochodzenia naturalnego wykorzystywane są między innymi: kolagen, żelatyna, fibryna, celuloza, fibroina, chitozan i kwas hialuronowy.

Celuloza jest materiałem wytwarzanym głównie przez rośliny jednak do celów medycyny regeneracyjnej częściej wykorzystywana jest celuloza wytwarzana przez mikroorganizmy, która w przeciwieństwie do roślinnej nie zawiera substancji zanieczyszczających takich jak hemicelulozy, pektyny, ligniny. Materiał ten z łatwością można przetwarzać mechanicznie w różnorakie materiały takie jak membrany, gąbki lub mikrosfery. Ponadto tworzone z jej udziałem pochodne mogą posiadać odmienne właściwości, które umożliwiają wykorzystanie jej do regeneracji odmiennych typów tkanek. Najczęściej jednak jest ona wykorzystywana do regeneracji tkanek twardych, takich jak kości. Wykazano, że włączenie fosforanu wapnia do matrycy wytworzonej z celulozy jest dużo bardziej efektywne.

Obok medycyny regeneracyjnej właściwości celulozy umożliwiają także wykorzystanie jej w wielu innych aplikacjach. Może być ona bez większych problemów przetwarzana w narzędzia chirurgiczne, membrany dializacyjne czy biosensory.

Kolejnym ciekawym związkiem pochodzenia naturalnego, który znajduje zastosowanie w medycynie jest chitozan. Polisacharyd ten jest pochodną chityny. W czystej postaci występuje jako składnik ścian komórkowych grzybów strzępkowych z klasy Zygomycetes natomiast na skalę przemysłową pozyskuje się go w procesie deacetylacji chityny pozyskiwanej ze skorupiaków. Chitozan jest biodegradowalny, nietoksyczny, bioaktywy i wysoce sorpcyjny. Do jego najważniejszych cech można zaliczyć działanie chemowabiące i zdolność do aktywacji makrofagow i neutrofili, stymulację aktywności komórkowej, np. fibroblastów, właściwości antybakteryjne, wychwytywanie czynników wzrostu, pobudzanie produkcji cytokin oraz sprzyjanie procesom angiogenezy. Materiał ten służy do wytwarzania opatrunków, ponieważ wykazano, że przyspiesza zabliźnianie trudno gojących się ran, pobudza tworzenie tkanki ziarninowej i reepitelizację oraz ogranicza tworzenie blizny.

Najbardziej obiecującym, najszerzej badanym i wykorzystywanym spośród biomateriałów jest jednak kolagen, który odgrywa dominującą rolę w ustroju człowieka. Na jego korzyść przemawia dobra wytrzymałość mechaniczna, zgodność biologiczna oraz mała antygenowość. Jednakże wykorzystanieczystego kolagenu jako biomateriału jest niezwykle trudne ze względu na niewystarczającą wytrzymałość mechaniczną. Niemniej jednak sieciowanie umożliwia tworzenie materiałów o odpowiednich właściwości mechanicznych, degradacji i zdolnościach absorpcji wody.

Spośród wielu typów kolagenu szczególną uwagę zwrócić należy na materiały otrzymywane z kolagenu typu I. W praktyce klinicznej szeroko stosowane są rusztowania wykonane właśnie z tego typu kolagenu do odtwarzania uszkodzeń skóry, co wydaje się być najlepszym rozwiązaniem dla tkanki najbogatszej w to białko. Materiał jest pozyskiwany zarówno z kultur komórkowych jak i ekstrahowany z natywnych tkanek. Pozyskiwanie matryc z tkanek polega na ich decelularyzacji. Podczas tego zabiegu usuwane są związki odpowiedzialne za immunogenność tkanki natomiast zachowana zostaje struktura kolagenu i innych składników macierzy w postaci natywnej. Metoda ta od dawna wykorzystywana jest do otrzymywania implantów skóry pełnej grubości.

Do ekwiwalentów skóry wytwarzanej według tej metody należy AlloDerm, którego matryca pozyskiwana jest przez przetwarzanie skóry pochodzącej od zmarłych dawców przez usunięcie naskórka za pomocą NaCl i decelularyzacji komponentów skóry roztworem siarczanu dodecylu sodu.

Od kilku lat trwają prace nad wykorzystaniem tej metody do odtwarzania organów wewnętrznych takich jak serce czy płuca.

Pozyskiwanie tkanek do otrzymywania naturalnych rusztowań ma jednak wiele wad, do których zaliczyć można między konieczność pobrania ich od biorcy oraz poddanie ich wieloetapowemu i przez to czasochłonnemu procesowi decelularyzacji. Dlatego zarezerwowane są głównie dla najbardziej skomplikowanych form.

Ekwiwalenty najnowszej generacji otrzymywane są na drodze bioinżynierii przy użyciu komórek odpowiedzialnych za produkcję kolagenu. OrCe^l® jest jednym z najnowszych ekwiwalentów skóry opartym na kolagenie typu I. Zbudowany jest on z dwuwarstwowej macierzy zewnątrzkomórkowej, w której ludzkie komórki allogeniczne skóry (naskórkowe keratynocyty i fibroblasty) hodowane są w dwóch oddzielnych warstwach. Fibroblasty skórne dawcy hodowane są w strukturze porowatej kolagenowej macierzy gąbki, podczas gdy keratynocyty od tego samego dawcy hoduje się na powierzchni powleczonej, nieporowatej.

Przytoczone powyżej przykłady przedstawiają perspektywy zastosowania rożnych materiałów w medycynie regeneracyjnej. Mimo ich odmienności i różnorodności wszystkie oferują szerokie możliwości wykorzystania i dają nadzieję na wprowadzenie przełomowych rozwiązań w walce z licznymi schorzeniami.

Literatura:

1. Arien-Zakay H., Lazarovici P., Nagler A.: Tissue regeneration potential in human umbilical cord blood. Best Pract. And Res. Clin. Haematology 2010; 23: 291-303.

2. Cheema U. , Ananta M. Vivek Mudera V.: Collagen: Applications of a Natural Polymer in Regenerative Medicine. www.intechopen.com.

3. Banaś A.: Komórki macierzyste – perspektywy i zagrożenia, Przegląd Medyczny Uniwersytetu Rzeszowskiego Rzeszów 2010, 2, 117–127.

4. Bedilu A. Allo , Daniel O. Costa, S. Jeffrey Dixon, Kibret Mequanint, Amin S. Rizkalla.: Bioactive and Biodegradable Nanocomposites and Hybrid Biomaterials for Bone Regeneration. Journal of Functional Biomaterials, ISSN 2079-4983.

5. Zammaretti P. Jaconi M.: Cardiac tissue engineering: regeneration of the wounded heart. www.sciencedirect.com.

6. Vasilev K.,  Chen H., P.: The Potential of Nanomaterials for Drug Delivery, Cell Tracking, and Regenerative Medicine. Journal of Nanomaterials, Volume 2014 (2014).

7. Yu D., Zhu L. , White K., Chris Branford-White C.: Electrospun nanofiber-based drug delivery systems. Health, Vol.1, No.2, 67-75 (2009).

8. Duszyńska A.: Zastosowanie nanowłókien polimerowych w medycynie, http://labnews.pl.

9. ManoJ. F., Silva G. A., AzevedoH. S., Malafaya P. B., Sousa R. A., Silva S. S., Boesel L. F., Oliveira J. M., Santos T. C., Marques A. P., Neves N. M., Reis R. L.: Natural origin biodegradable systems in tissue engineering and regenerative medicine: present status and some moving trends. J. R. Soc. Interface (2007) 4, 999–1030 .

10. Anna Kaźnica A., Romana Joachimiak R., Tomasz Drewa T., Tomasz Rawo T., Jarosław Deszczyński J.: Nowe trendy w inżynierii tkankowej. www.artroskopia.org.

11. Mazurek P., Kuliński1 S., Jerzy Gosk J.: Możliwości wykorzystania chityny i chitozanu w leczeniu ran. Polim. Med. 2013, 43, 4, 297–302 c Copyright by Wroclaw Medical University ISSN 0370-0747.