Биоматериалы восстанавливают организм изнутри

Успешная регенерация тканей - залог исцеления травм или замены части пораженной или поврежденной ткани в костях, коже, нервной системе и в таких органах, как мышцы, почки, печень, легкие и сердце.

Но эффективность собственной системы организма для восстановления любого повреждения может сильно варьироваться в зависимости от типа вовлеченной ткани и ее расположения.

Биоинженеры работали над предупреждением и устранением вероятных неудач, создавая вещества, называемые биоматериалами, которые могут быть использованы различными способами для повышения способности организма к исцелению.

В недавней публикации в журнале Nature Reviews Materials Али Хадемхоссейни, доктор философии, директор и генеральный директор Института Терасаки, и его коллеги делятся результатами по использованию биоматериалов для регенерации тканей.

В современной медицине применяются два подхода к использованию биоматериалов:

1. при традиционном конструкция биоматериала смешивается с клетками и биомолекулами вне тела, развивается во внешнем биореакторе, затем эта структура имплантируется в тело, непосредственно в поврежденную область. Имплантированная конструкция может развиваться в ткань, которая будет функционировать и регенерировать в качестве замены поврежденной ткани.

2. при т.н. «новом» ("in situ") биоматериалы создаются без добавления клеток перед имплантацией в организм, имплантированные материалы стимулируют и усиливают ими собственные клеточные и химические механизмы заживления в организме для получения регенерированной ткани.

Оба подхода могут быть эффективными, но у второго - как утверждают ученые - есть явные преимущества:

• поскольку процедура не предполагает использования живых клеток при формировании биоматериалов, ее имплантация в организм не подвергается столь многочисленным регуляторным барьерам.

Это позволяет разрабатывать различные биоматериалы для стимулирования и регулирования многих событий, которые являются частью естественного процесса заживления организма.

Как в организме «развивается» травма

Любая травма проходит в организме три фазы (или, как называют ученые, стадии событий):

• воспаление - различные иммунные клетки перемещаются к месту повреждения, удаляя мертвые клетки и признаки инфекции и посылая сигналы для рекрутирования дополнительных клеток, необходимых для замены поврежденных

• образование новых тканей - набранные клетки начинают размножаться и образуют клеточный матрикс на участке, поддерживаемом сетью кровеносных сосудов,

• ремоделирование тканей. - матрица реорганизуется и повторно синтезируется, чтобы создать новую ткань.

Как помогают биоматериалы

Ученые могут создавать биоматериалы, которые влияют на события на любом из этих этапов.

Одним из способов достижения этой цели является изменение физических и химических характеристик биоматериалов. Это в значительной степени влияет на клеточную функцию, миграцию и пролиферацию.

Физические характеристики, такие как жесткость, размер и распределение пор, текстура поверхности и скорость деградации биоматериалов, могут быть изменены для облегчения рекрутирования собственных восстановительных клеток организма в место повреждения.

Химические свойства биоматериалов также могут быть изменены, чтобы представить биомолекулы, которые будут стимулировать набранные клетки расти и размножаться.

 Второй способ заключается в использовании биоматериалов для "перепрограммирования" регенеративных клеток организма на генетическом уровне.

Можно создать биоматериалы, которые будут доставлять факторы, контролирующие экспрессию генов, необходимых для изменения клеток от одного типа к другому.

Могут быть поставлены и другие факторы, которые приведут к выработке белков, необходимых для восстановления тканей.

Третий способ: доставление биоматериалов с помощью наночастиц, несущих инструменты редактирования генов.

Эти инструменты могут выполнять точное генетическое редактирование в клетках, участвующих в процессе заживления.

В чем ценность работы

Прогресс, достигнутый в производстве биоматериалов, таких как трехмерная печать, и диверсификация его биоматериалов, или био-чернил, повысили способность более точно создавать сложные или пользовательские конструкции для имплантации.

• В ближайшем будущем в этой области, вероятно, будут достигнуты еще большие успехи.

Недавний прогресс, достигнутый в разработке биоматериалов, повысил их потенциал для использования в повышении естественных способностей организма.

Будущие методы оценки эффективности биоматериалов, такие как платформы искусственного интеллекта и методы "Омикс", могут обеспечить дальнейшее понимание процессов регенерации на молекулярном уровне. Движение в этом направлении может привести к увеличению успеха в разработке следующего поколения биочувствительных материалов.

"Использование регенеративного потенциала человеческого организма с помощью инженерных биоматериалов — это простой и эффективный подход к замене поврежденных или больных тканей. Таким образом, ожидается, что разработка нового поколения биочувствительных материалов для регуляции поведения эндогенных клеток будет играть ключевую роль в регенерации тканей in situ», - сказал Ахилеш К. Гахарвар, доктор философии, первый автор исследования и доцент кафедры биомедицинской инженерии Техасского университета A&M.