Panoramica sull'ingegneria dei tessuti
È qui che l'ingegneria dei tessuti è utile. Usando il biomateriale (materia che interagisce con i sistemi biologici del corpo come cellule e molecole attive), è possibile creare tessuti funzionali per ripristinare, riparare o sostituire il tessuto e gli organi umani danneggiati.
Una breve storia
L'ingegneria dei tessuti è un campo della medicina relativamente nuovo, con la ricerca che inizia solo negli anni '80. Un bioingegnere e scienziato americano di nome Yuan-Cheng Fung ha presentato una proposta alla National Science Foundation (NSF) per un centro di ricerca dedicato ai tessuti viventi. Fung ha preso il concetto di tessuto umano e lo ha esteso per applicarlo a qualsiasi organismo vivente tra cellule e organi.Sulla base di questa proposta, la NSF ha etichettato il termine "ingegneria dei tessuti" nel tentativo di formare un nuovo campo di ricerca scientifica. Ciò ha portato alla formazione di The Tissue Engineering Society (TES), che in seguito divenne la Società Internazionale di Ingegneria dei Tessuti e Medicina Rigenerativa (TERMIS).
TERMIS promuove sia l'istruzione che la ricerca nel campo dell'ingegneria dei tessuti e della medicina rigenerativa. La medicina rigenerativa si riferisce a un campo più ampio che si concentra sia sull'ingegneria dei tessuti sia sulla capacità del corpo umano di auto-guarirsi per ripristinare la normale funzione nei tessuti, negli organi e nelle cellule umane.
Scopo dell'ingegneria dei tessuti
L'ingegneria tissutale ha alcune funzioni principali nella medicina e nella ricerca: aiuta nella riparazione di tessuti o organi tra cui riparazione ossea (tessuto calcificato), tessuto cartilagineo, tessuto cardiaco, tessuto pancreatico e tessuto vascolare. Il campo conduce anche ricerche sul comportamento delle cellule staminali. Le cellule staminali possono svilupparsi in molti diversi tipi di cellule e possono aiutare a riparare le aree del corpo.Il campo dell'ingegneria dei tessuti consente ai ricercatori di creare modelli per studiare varie malattie, come il cancro e le malattie cardiache.
La natura 3D dell'ingegneria tissutale consente di studiare l'architettura del tumore in un ambiente più accurato. L'ingegneria tissutale fornisce anche un ambiente per testare potenziali nuovi farmaci su queste malattie.
Come funziona
Il processo di ingegneria tissutale è complicato. Si tratta di formare un tessuto funzionale 3D per aiutare a riparare, sostituire e rigenerare un tessuto o un organo nel corpo. Per fare questo, le cellule e le biomolecole sono combinate con gli scaffold.I ponteggi sono strutture artificiali o naturali che imitano organi reali (come il rene o il fegato). Il tessuto cresce su questi scaffold per imitare il processo o la struttura biologica che deve essere sostituita. Quando questi sono costruiti insieme, il nuovo tessuto è progettato per replicare lo stato del vecchio tessuto quando non è stato danneggiato o malato.
Impalcature, cellule e biomolecole
Le impalcature, che sono normalmente create dalle cellule del corpo, possono essere costruite da fonti come proteine nel corpo, plastica artificiale o da uno scaffold esistente, come quello di un organo donatore. Nel caso di un organo donatore, lo scaffold verrebbe combinato con le cellule del paziente per creare organi o tessuti personalizzabili che in realtà potrebbero essere rifiutati dal sistema immunitario del paziente.Indipendentemente da come è formato, è questa struttura scaffold che invia messaggi alle cellule che aiutano a supportare e ottimizzare le funzioni cellulari nel corpo.
Scegliere le cellule giuste è una parte importante dell'ingegneria dei tessuti. Esistono due tipi principali di cellule staminali.
Due principali tipi di cellule staminali
- Cellule staminali embrionali: provengono da embrioni, di solito in uova che sono state fecondate in vitro (fuori dal corpo).
- Cellule staminali adulte: trovato all'interno del corpo tra le cellule normali - possono moltiplicarsi per divisione cellulare per ricostituire cellule e tessuti morenti.
Complessivamente, le biomolecole includono quattro classi principali (sebbene ci siano anche classi secondarie): carboidrati, lipidi, proteine e acidi nucleici. Queste biomolecole aiutano a formare la struttura e la funzione delle cellule. I carboidrati aiutano gli organi come il cervello e la funzione cardiaca e anche i sistemi funzionano come il sistema digestivo e immunitario.
Le proteine forniscono anticorpi contro i germi e sostegno strutturale e movimento del corpo. Gli acidi nucleici contengono DNA e RNA, fornendo informazioni genetiche alle cellule.
Uso medico
L'ingegneria tissutale non è ampiamente utilizzata per la cura o il trattamento del paziente. Ci sono stati alcuni casi che hanno utilizzato ingegneria tissutale in innesti cutanei, riparazione della cartilagine, piccole arterie e vesciche nei pazienti. Tuttavia, gli organi più grandi progettati sul tessuto come cuore, polmoni e fegato non sono ancora stati utilizzati nei pazienti (sebbene siano stati creati in laboratorio).A parte il fattore di rischio dell'utilizzo dell'ingegneria tissutale nei pazienti, le procedure sono estremamente costose. Sebbene l'ingegneria dei tessuti sia utile quando si tratta di ricerca medica, in particolare quando si testano nuove formulazioni di farmaci.
L'utilizzo di tessuto vivo e funzionante in un ambiente esterno all'organismo aiuta i ricercatori a fare progressi nella medicina personalizzata.
La medicina personalizzata aiuta a determinare se alcuni farmaci funzionano meglio per determinati pazienti sulla base del loro corredo genetico, oltre a ridurre i costi di sviluppo e test sugli animali.
Esempi di ingegneria tissutale
Un recente esempio di ingegneria tissutale condotto dall'Istituto nazionale di imaging biomedico e bioingegneria comprende l'ingegneria di un tessuto epatico umano che viene poi impiantato in un topo.Dal momento che il mouse usa il proprio fegato, il tessuto epatico umano metabolizza i farmaci, imitando il modo in cui gli esseri umani risponderebbero a determinati farmaci all'interno del mouse. Questo aiuta i ricercatori a capire quali possibili interazioni farmacologiche ci possono essere con un determinato farmaco.Nel tentativo di avere un tessuto ingegnerizzato con una rete integrata, i ricercatori stanno testando una stampante che creerebbe una rete di tipo vascolare da una soluzione zuccherina. La soluzione si formerebbe e si indurirebbe nel tessuto ingegnerizzato fino a quando il sangue non sarà aggiunto al processo, viaggiando attraverso i canali artificiali.
Infine, la rigenerazione dei reni di un paziente che utilizza le cellule del paziente è un altro progetto dell'Istituto. I ricercatori hanno utilizzato cellule da organi donatori per combinarle con biomolecole e uno scaffold di collagene (dall'organo donatore) per far crescere nuovo tessuto renale.
Questo tessuto d'organo è stato quindi testato per il funzionamento (come l'assorbimento dei nutrienti e la produzione di urina) sia all'esterno che all'interno dei ratti. I progressi in quest'area dell'ingegneria tissutale (che può anche funzionare in modo simile per organi come cuore, fegato e polmoni) potrebbero aiutare con la carenza di donatori e ridurre le malattie associate all'immunosoppressione nei pazienti sottoposti a trapianto di organi.
Come si rapporta al cancro
La crescita del tumore metastatico è uno dei motivi per cui il cancro è una delle principali cause di morte. Prima dell'ingegneria dei tessuti, gli ambienti tumorali potevano essere creati solo all'esterno del corpo in forma 2D. Ora, gli ambienti 3D, così come lo sviluppo e l'utilizzo di alcuni biomateriali (come il collagene), consentono ai ricercatori di guardare l'ambiente di un tumore fino al microambiente di alcune cellule per vedere cosa succede alla malattia quando certe composizioni chimiche nelle cellule vengono alterate.In questo modo, l'ingegneria tissutale aiuta i ricercatori a comprendere sia la progressione del cancro che gli effetti di determinati approcci terapeutici sui pazienti con lo stesso tipo di cancro.
Mentre sono stati compiuti progressi nello studio del cancro attraverso l'ingegneria tissutale, la crescita del tumore può spesso causare la formazione di nuovi vasi sanguigni. Ciò significa che anche con i progressi che l'ingegneria dei tessuti ha fatto con la ricerca sul cancro, potrebbero esserci limitazioni che possono essere eliminate solo impiantando il tessuto ingegnerizzato in un organismo vivo.
Con il cancro, tuttavia, l'ingegneria tissutale può aiutare a stabilire come questi tumori si stanno formando, quali dovrebbero essere le normali interazioni cellulari e come le cellule tumorali crescono e si metastatizzano. Questo aiuta i ricercatori a testare i farmaci che influenzeranno solo le cellule tumorali, al contrario di tutto l'organo o il corpo.
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