ภาพรวมของวิศวกรรมเนื้อเยื่อ

ความสามารถของร่างกายมนุษย์ในการสร้างเนื้อเยื่อและอวัยวะขึ้นมาใหม่นั้นไม่มีประสิทธิภาพอย่างมากและการสูญเสียเนื้อเยื่อและอวัยวะของมนุษย์อาจเกิดขึ้นได้ง่ายเนื่องจากสิ่งต่างๆเช่นความบกพร่อง แต่กำเนิดโรคและการบาดเจ็บอย่างกะทันหัน เมื่อเนื้อเยื่อตาย (เรียกว่าเนื้อร้าย) จะไม่สามารถนำกลับมามีชีวิตได้หากไม่ได้รับการกำจัดหรือซ่อมแซมอาจส่งผลกระทบต่อส่วนอื่น ๆ ของร่างกายเช่นเนื้อเยื่อรอบอวัยวะกระดูกและผิวหนัง

นี่คือสิ่งที่วิศวกรรมเนื้อเยื่อมีประโยชน์ ด้วยการใช้วัสดุชีวภาพ (สสารที่ทำปฏิกิริยากับระบบชีวภาพของร่างกายเช่นเซลล์และโมเลกุลที่ใช้งานอยู่) สามารถสร้างเนื้อเยื่อที่ใช้งานได้เพื่อช่วยฟื้นฟูซ่อมแซมหรือเปลี่ยนเนื้อเยื่อและอวัยวะของมนุษย์ที่เสียหาย

ประวัติโดยย่อ

วิศวกรรมเนื้อเยื่อเป็นสาขาการแพทย์ที่ค่อนข้างใหม่โดยเริ่มมีการวิจัยในช่วงทศวรรษที่ 1980 เท่านั้น นักชีววิศวกรรมและนักวิทยาศาสตร์ชาวอเมริกันชื่อ Yuan-Cheng Fung ได้ยื่นข้อเสนอต่อ National Science Foundation (NSF) สำหรับศูนย์วิจัยเพื่ออุทิศให้กับเนื้อเยื่อที่มีชีวิต Fung ได้นำแนวคิดเรื่องเนื้อเยื่อของมนุษย์และขยายไปใช้กับสิ่งมีชีวิตใด ๆ ระหว่างเซลล์และอวัยวะ

จากข้อเสนอนี้ NSF ระบุคำว่า "วิศวกรรมเนื้อเยื่อ" เพื่อสร้างงานวิจัยทางวิทยาศาสตร์แขนงใหม่ สิ่งนี้นำไปสู่การก่อตั้ง The Tissue Engineering Society (TES) ซึ่งต่อมาได้กลายมาเป็น Tissue Engineering and Regenerative Medicine International Society (TERMIS)

TERMIS ส่งเสริมทั้งการศึกษาและการวิจัยในสาขาวิศวกรรมเนื้อเยื่อและเวชศาสตร์ฟื้นฟู เวชศาสตร์ฟื้นฟูหมายถึงสาขาที่กว้างขึ้นซึ่งมุ่งเน้นไปที่ทั้งวิศวกรรมเนื้อเยื่อตลอดจนความสามารถของร่างกายมนุษย์ในการรักษาตัวเองเพื่อฟื้นฟูการทำงานปกติของเนื้อเยื่ออวัยวะและเซลล์ของมนุษย์

วัตถุประสงค์ของวิศวกรรมเนื้อเยื่อ

วิศวกรรมเนื้อเยื่อมีหน้าที่หลักบางประการในการแพทย์และการวิจัย: ช่วยในการซ่อมแซมเนื้อเยื่อหรืออวัยวะรวมถึงการซ่อมแซมกระดูก (เนื้อเยื่อที่มีแคลเซียม) เนื้อเยื่อกระดูกอ่อนเนื้อเยื่อหัวใจเนื้อเยื่อตับอ่อนและเนื้อเยื่อหลอดเลือด ภาคสนามยังทำการวิจัยเกี่ยวกับพฤติกรรมของเซลล์ต้นกำเนิด เซลล์ต้นกำเนิดสามารถพัฒนาเป็นเซลล์หลายประเภทและอาจช่วยซ่อมแซมส่วนต่างๆของร่างกาย

สาขาวิศวกรรมเนื้อเยื่อช่วยให้นักวิจัยสามารถสร้างแบบจำลองเพื่อศึกษาโรคต่างๆเช่นมะเร็งและโรคหัวใจ

ลักษณะ 3 มิติของวิศวกรรมเนื้อเยื่อช่วยให้สามารถศึกษาสถาปัตยกรรมเนื้องอกในสภาพแวดล้อมที่แม่นยำยิ่งขึ้น วิศวกรรมเนื้อเยื่อยังจัดเตรียมสภาพแวดล้อมในการทดสอบยาใหม่ที่มีศักยภาพในโรคเหล่านี้

มันทำงานอย่างไร

กระบวนการทางวิศวกรรมเนื้อเยื่อเป็นกระบวนการที่ซับซ้อน มันเกี่ยวข้องกับการสร้างเนื้อเยื่อที่ใช้งานได้ 3 มิติเพื่อช่วยซ่อมแซมแทนที่และสร้างเนื้อเยื่อหรืออวัยวะในร่างกายขึ้นมาใหม่ ในการทำเช่นนี้เซลล์และสารชีวโมเลกุลจะรวมเข้ากับโครง

โครงกระดูกเป็นโครงสร้างเทียมหรือตามธรรมชาติที่เลียนแบบอวัยวะจริง (เช่นไตหรือตับ) เนื้อเยื่อเติบโตบนโครงเหล่านี้เพื่อเลียนแบบกระบวนการทางชีววิทยาหรือโครงสร้างที่ต้องเปลี่ยนใหม่ เมื่อสร้างสิ่งเหล่านี้เข้าด้วยกันเนื้อเยื่อใหม่จะถูกออกแบบมาเพื่อจำลองสภาพของเนื้อเยื่อเก่าเมื่อไม่ได้รับความเสียหายหรือเป็นโรค

Scaffolds, Cells และ Biomolecules

โครงกระดูกซึ่งปกติสร้างโดยเซลล์ในร่างกายสามารถสร้างขึ้นจากแหล่งต่างๆเช่นโปรตีนในร่างกายพลาสติกที่มนุษย์สร้างขึ้นหรือจากโครงที่มีอยู่เช่นโครงจากอวัยวะของผู้บริจาค ในกรณีของอวัยวะของผู้บริจาคโครงจะถูกรวมเข้ากับเซลล์จากผู้ป่วยเพื่อสร้างอวัยวะหรือเนื้อเยื่อที่ปรับแต่งได้ซึ่งจริง ๆ แล้วระบบภูมิคุ้มกันของผู้ป่วยอาจปฏิเสธ

โครงสร้างโครงนั่งร้านนี้จะส่งข้อความไปยังเซลล์ที่ช่วยสนับสนุนและเพิ่มประสิทธิภาพการทำงานของเซลล์ในร่างกายไม่ว่าจะเกิดขึ้นอย่างไร

การเลือกเซลล์ที่เหมาะสมเป็นส่วนสำคัญของวิศวกรรมเนื้อเยื่อ เซลล์ต้นกำเนิดมีสองประเภทหลัก ๆ

เซลล์ต้นกำเนิดหลักสองประเภท

• เซลล์ต้นกำเนิดจากตัวอ่อน: เกิดจากตัวอ่อนโดยปกติจะอยู่ในไข่ที่ได้รับการปฏิสนธิในหลอดทดลอง (ภายนอกร่างกาย)
• เซลล์ต้นกำเนิดสำหรับผู้ใหญ่: พบภายในร่างกายในหมู่เซลล์ปกติ - สามารถคูณด้วยการแบ่งเซลล์เพื่อเติมเต็มเซลล์และเนื้อเยื่อที่กำลังจะตาย

ขณะนี้มีงานวิจัยจำนวนมากที่กำลังดำเนินการเกี่ยวกับเซลล์ต้นกำเนิดที่มีจำนวนมากเช่นกัน (เซลล์ต้นกำเนิดจากตัวเต็มวัยที่ถูกกระตุ้นให้ทำงานเหมือนเซลล์ต้นกำเนิดจากตัวอ่อน) ตามทฤษฎีแล้วเซลล์ต้นกำเนิดมีจำนวนไม่ จำกัด และการใช้เซลล์เหล่านี้ไม่เกี่ยวข้องกับปัญหาการทำลายตัวอ่อนของมนุษย์ (ซึ่งทำให้เกิดปัญหาทางจริยธรรมเช่นกัน) ในความเป็นจริงนักวิจัยที่ได้รับรางวัลโนเบลเปิดเผยผลการวิจัยเกี่ยวกับเซลล์ต้นกำเนิดที่มีประโยชน์และการใช้ประโยชน์

โดยรวมแล้วสารชีวโมเลกุลประกอบด้วยสี่ชั้นหลัก (แม้ว่าจะมีชั้นรองด้วย) ได้แก่ คาร์โบไฮเดรตไขมันโปรตีนและกรดนิวคลีอิก สารชีวโมเลกุลเหล่านี้ช่วยประกอบเป็นโครงสร้างและหน้าที่ของเซลล์ คาร์โบไฮเดรตช่วยให้อวัยวะต่างๆเช่นสมองและหัวใจทำงานเช่นเดียวกับระบบย่อยอาหารและภูมิคุ้มกัน

โปรตีนให้แอนติบอดีต่อเชื้อโรคเช่นเดียวกับการสนับสนุนโครงสร้างและการเคลื่อนไหวของร่างกาย กรดนิวคลีอิกประกอบด้วย DNA และ RNA ซึ่งให้ข้อมูลทางพันธุกรรมแก่เซลล์

ใช้ในทางการแพทย์

วิศวกรรมเนื้อเยื่อไม่ได้ใช้กันอย่างแพร่หลายในการดูแลผู้ป่วยหรือการรักษา มีบางกรณีที่ใช้วิศวกรรมเนื้อเยื่อในการปลูกถ่ายผิวหนังการซ่อมแซมกระดูกอ่อนหลอดเลือดแดงขนาดเล็กและกระเพาะปัสสาวะในผู้ป่วย อย่างไรก็ตามยังไม่มีการใช้อวัยวะขนาดใหญ่ที่สร้างเนื้อเยื่อเช่นหัวใจปอดและตับในผู้ป่วย (แม้ว่าจะถูกสร้างขึ้นในห้องปฏิบัติการ)

นอกเหนือจากปัจจัยเสี่ยงของการใช้วิศวกรรมเนื้อเยื่อในผู้ป่วยแล้วขั้นตอนยังมีค่าใช้จ่ายสูงมาก แม้ว่าวิศวกรรมเนื้อเยื่อจะมีประโยชน์ในการวิจัยทางการแพทย์โดยเฉพาะอย่างยิ่งเมื่อทดสอบสูตรยาใหม่ ๆ

การใช้เนื้อเยื่อที่มีชีวิตและใช้งานได้ในสภาพแวดล้อมภายนอกร่างกายช่วยให้นักวิจัยได้รับประโยชน์จากยาเฉพาะบุคคล

ยาเฉพาะบุคคลช่วยในการตรวจสอบว่ายาบางตัวทำงานได้ดีขึ้นสำหรับผู้ป่วยบางรายหรือไม่โดยพิจารณาจากลักษณะทางพันธุกรรมของพวกเขาตลอดจนลดต้นทุนในการพัฒนาและทดสอบสัตว์

ตัวอย่างของวิศวกรรมเนื้อเยื่อ

ตัวอย่างล่าสุดของวิศวกรรมเนื้อเยื่อที่ดำเนินการโดย National Institute of Biomedical Imaging and Bioengineering รวมถึงวิศวกรรมของเนื้อเยื่อตับของมนุษย์ซึ่งจะฝังไว้ในเมาส์ เนื่องจากหนูใช้ตับของตัวเองเนื้อเยื่อตับของมนุษย์จึงเผาผลาญยาโดยเลียนแบบว่ามนุษย์จะตอบสนองต่อยาบางชนิดภายในเมาส์อย่างไร สิ่งนี้ช่วยให้นักวิจัยเห็นว่าปฏิกิริยาระหว่างยาที่เป็นไปได้คืออะไรกับยาบางชนิด

ในความพยายามที่จะมีการออกแบบเนื้อเยื่อด้วยเครือข่ายในตัวนักวิจัยกำลังทดสอบเครื่องพิมพ์ที่จะสร้างเครือข่ายคล้ายหลอดเลือดจากสารละลายน้ำตาล สารละลายจะก่อตัวและแข็งตัวในเนื้อเยื่อที่ได้รับการออกแบบจนกระทั่งเลือดถูกเพิ่มเข้าไปในกระบวนการซึ่งเดินทางผ่านช่องทางที่มนุษย์สร้างขึ้น

สุดท้ายการสร้างไตของผู้ป่วยขึ้นมาใหม่โดยใช้เซลล์ของผู้ป่วยเป็นอีกโครงการหนึ่งของสถาบัน นักวิจัยใช้เซลล์จากอวัยวะของผู้บริจาครวมกับสารชีวโมเลกุลและโครงร่างคอลลาเจน (จากอวัยวะของผู้บริจาค) เพื่อสร้างเนื้อเยื่อไตใหม่

จากนั้นเนื้อเยื่ออวัยวะนี้ได้รับการทดสอบการทำงาน (เช่นการดูดซึมสารอาหารและการผลิตปัสสาวะ) ทั้งภายนอกและภายในหนู ความก้าวหน้าในสาขาวิศวกรรมเนื้อเยื่อนี้ (ซึ่งสามารถทำงานในลักษณะเดียวกันกับอวัยวะต่างๆเช่นหัวใจตับและปอด) สามารถช่วยในการขาดแคลนผู้บริจาคและลดโรคที่เกี่ยวข้องกับการกดภูมิคุ้มกันในผู้ป่วยที่ปลูกถ่ายอวัยวะ

เกี่ยวข้องกับมะเร็งอย่างไร

การเติบโตของเนื้องอกในระยะแพร่กระจายเป็นสาเหตุหนึ่งที่ทำให้มะเร็งเป็นสาเหตุของการเสียชีวิต ก่อนวิศวกรรมเนื้อเยื่อสภาพแวดล้อมของเนื้องอกสามารถสร้างได้เฉพาะภายนอกร่างกายในรูปแบบ 2 มิติเท่านั้นตอนนี้สภาพแวดล้อม 3 มิติตลอดจนการพัฒนาและการใช้วัสดุชีวภาพบางชนิด (เช่นคอลลาเจน) ช่วยให้นักวิจัยสามารถดูสภาพแวดล้อมของเนื้องอกจนถึงสภาพแวดล้อมขนาดเล็กของเซลล์บางชนิดเพื่อดูว่าเกิดอะไรขึ้นกับโรคเมื่อองค์ประกอบทางเคมีบางอย่างในเซลล์เปลี่ยนแปลง .

ด้วยวิธีนี้วิศวกรรมเนื้อเยื่อช่วยให้นักวิจัยเข้าใจทั้งการลุกลามของมะเร็งและผลกระทบของวิธีการรักษาบางอย่างที่อาจมีต่อผู้ป่วยที่เป็นมะเร็งชนิดเดียวกัน

ในขณะที่มีความคืบหน้าในการศึกษามะเร็งผ่านทางวิศวกรรมเนื้อเยื่อการเติบโตของเนื้องอกมักทำให้เกิดเส้นเลือดใหม่ ซึ่งหมายความว่าแม้จะมีความก้าวหน้าทางวิศวกรรมเนื้อเยื่อในการวิจัยโรคมะเร็ง แต่ก็อาจมีข้อ จำกัด ที่สามารถกำจัดได้โดยการปลูกถ่ายเนื้อเยื่อที่ได้รับการออกแบบให้เป็นสิ่งมีชีวิตเท่านั้น

อย่างไรก็ตามด้วยโรคมะเร็งวิศวกรรมเนื้อเยื่อสามารถช่วยระบุได้ว่าเนื้องอกเหล่านี้ก่อตัวขึ้นอย่างไรปฏิสัมพันธ์ของเซลล์ปกติควรมีลักษณะอย่างไรเช่นเดียวกับการเติบโตของเซลล์มะเร็งและการแพร่กระจาย สิ่งนี้ช่วยให้นักวิจัยทดสอบยาที่จะส่งผลต่อเซลล์มะเร็งเท่านั้นซึ่งต่างจากอวัยวะหรือร่างกายทั้งหมด