Vis daugiau žmonių pasaulyje gyvena su svetimais inkstais, ragenomis, širdimis, plaučiais, kepenimis ar kitais transplantuotais organais bei audiniais. Žmonių, kuriems reikia persodinti vieną ar kitą organą, skaičius nemažėja ir nepakanka donorų, galinčių paaukoti organus ligoniui. Šiandien, plėtojantis naujoms technologijoms, mokslininkai vis drąsiau kalba apie dirbtinių biologinių audinių ar net organų kūrimą.
Audinių inžinerijos iššūkiai
Augantys praktinės medicinos poreikiai ir sparti ląstelės, molekulinės biologijos, medžiagų bei inžinerijos mokslų plėtra sudarė puikias sąlygas susiformuoti naujai tarpdalykinei sričiai – audinių inžinerijai. Pagrindinis jos tikslas – konstruoti audinius, organus arba jų dalis, naudojant dirbtinius karkasus ir individualaus paciento organizmo (autologines) ląsteles. Iki šiol regėjome sparčią pažangą biomedžiagų kūrimo, bioreaktorių projektavimo ar kamieninių ląstelių savybių tyrimų srityse. Tačiau, norint sukurti gamtai artimą audinį, svarbu parinkti tinkamas biosutaikomas medžiagas (natūralias ar dirbtines) ir ląstelių šaltinį, įvertinti jų augimo ir diferenciacijos ant karkasų galimybes, angiogeninių, augimo ir diferenciacijos veiksnių svarbą.
Audinių inžinerija, kaip ir kiekvienas pasiekimas ar nauja technologija, susiduria su daugybe iššūkių. Pirmiausia svarbu užtikrinti dirbtinio audinio funkcionalumą tolesnėje ateityje – išsiaiškinti, kaip toks dirbtinis audinys veiks po dešimt, dvidešimt ar daugiau metų: ar jis išlaikys savo savybes, ar jo ląstelės išliks gyvybingos, ar nesikeis jų savybės ir t. t. Audinio konstravimas dirbtinėje aplinkoje – bioreaktoriuose – neužtikrina tikslios ląstelės vietos, o sudėtingi audiniai paprastai dar yra sudaryti iš kelių ir keliolikos skirtingų rūšių ląstelių, kurios atlieka specializuotas funkcijas. Todėl, konstruojant dirbtinius audinius, svarbu užtikrinti tinkamą šių ląstelių vietą. Tai – daug pastangų reikalaujantis, lėtas, brangus ir kol kas neautomatizuotas audinio surinkimo procesas.
Vilniaus universiteto Gyvybės mokslų centro, Lazerinių tyrimų centro ir Chemijos ir geomokslų fakulteto mokslininkai, bendradarbiaudami su Vilniaus universiteto Santariškių klinikų Širdies chirurgijos centro gydytojais ir Vilniaus Gedimino technikos universiteto mokslininkais, jau keleri metai dirba šia linkme. Mokslininkai įgyvendina Lietuvos mokslo tarybos finansuojamą Nacionalinės mokslo programos „Sveikas senėjimas“ projektą „Minkštųjų audinių inžinerija: nuo ląstelės iki dirbtinio audinio“, kurio tikslas – sukurti dirbtinio bioaudinio formavimo strategiją minkštųjų audinių regeneracijai.
Dirbtinio audinio konstravimas
Kaip pradėti konstruoti dirbtinį audinį? Pirmiausia reikia parinkti optimalų ląstelių šaltinį. Ląstelė – unikalus darinys, savo forma prisitaikantis prie paviršiaus reljefo. Mėgintuvėlyje jos paprastai auga ant plokščio paviršiaus, todėl įgauna gana plokščią, ištemptą formą, tačiau audinyje jau sąveikauja kelių rūšių ląstelės. Jos kartu su užląsteline aplinka palaiko erdvinę struktūrą ir ląstelėms įprastą 3D orientaciją. Audinių inžinerijos tikslams mokslininkai dažniau renkasi suaugusio organizmo nepilnos diferenciacijos ląsteles. Vilniaus universiteto Biochemijos instituto mokslininkai kuria kokultūrą, sudarytą iš kelių ląstelių rūšių ir artimą audinio fiziologinei sandarai (1 pav.). Vėliau bus tiriama gautos kokultūros sąveika su užląsteline aplinka.
a) preparatas dažytas hematoksilinu ir eozinu (H&E), rodyklėmis parodyta implanto „guolio“ vieta;
b) nedažyto preparato vaizdas, gautas fluorescenciniu mikroskopu: švyti ant implanto užaugintos ir PKH26 dažais pažymėtos ląstelės, rodyklėmis parodyta implanto „guolio“ vieta;
c) H&E dažytas preparatas: nuo karkaso nutolęs laukas, rodyklėmis pažymėtos nebrandžios, implantuotos endotelio kilmės ląstelės;
d) nedažyto histologinio preparato, paruošto iš to paties nuo karkaso nutolusio audinio, vaizdas, gautas fluorescenciniu mikroskopu: rausvai švyti endotelio kilmės su karkasu implantuotos ląstelės, dažytos PKH26 dažais.
Mokslininkai renkasi naujus būdus ir technologijas
PDMS pasižymi ne tik mažu mechaniniu stabilumu, bet ir yra gana sudėtingai struktūrizuojamas. Kol kas tai gali daryti brangios lazerinės sistemos. Tačiau jų našumas audinių inžinerijos tikslams per mažas, o kaina – per didelė. Alternatyva lazerinėms sistemoms galėtų būti 3D spausdinimas. Ši technologija leidžia greitai gaminti reikiamos formos karkasus, netgi individualiai kiekvienam pacientui.
Pavyzdžiui, esant dideliam žandikaulio defektui, 3D spausdintuvu iš biosuderinamos medžiagos būtų galima suformuoti defektą atitinkantį kietą karkasą, jį apauginti paciento kamieninėmis ląstelėmis. Tokį darinį chirurgas implantuotų į pažeidimo vietą ir po gijimo laikotarpio žandikaulis bei veido kontūrai būtų atkurti. Todėl mokslininkai renkasi naują būdą – sujungti lanksčias fotostruktūrinamas medžiagas su 3D spausdinimo technologija. Tai leistų pigiai ir greitai formuoti karkasus biomedicinos poreikiams.
Tikimasi, kad tyrimų rezultatai ne tik bus svarbūs ateities gydymo strategijoms kurti, bet ir pagerins jau esamas metodikas. Naujomis technologijomis domisi medikai, ypač – širdies chirurgai. Jie tikisi, kad naudojant autologinėmis ląstelėmis padengtą dirbtinio perikardo struktūrą, artimą natūraliam audiniui, susidarys mažiau pooperacinių sąaugų ir sumažės pakartotinių operacijų rizika.