Искусственная кожа: передовая тканевая инженерия для ожогов, ран и регенеративных терапий будущего

Общие сведения

Кожа — крупнейший орган тела, защищающий нас от болезней, физических травм и помогающий регулировать температуру. Она состоит из двух основных слоев: эпидермиса — дом для кератиноцитов, меланоцитов и клеток Лангерханса — и дермы, богатой соединительно-тканевыми волокнами, такими как коллаген, питающими эпидермис.

При тяжелых повреждениях — будь то ожоги, диабетические язвы или другие травмы — естественное заживление может быть слишком медленным или неадекватным. Традиционные кожные пересадки, полученные из собственной кожи пациента (аутограммы) или от трупов (аллограммы), давно используются для закрытия ран и исправления деформаций. Однако аутограммы ограничены доступностью донорских участков, а аллограммы несут риски инфекции и отторжения, особенно при пересадке новому реципиенту.

В середине 1980-х сотрудничество клеточных биологов и химических инженеров зародило область тканевой инженерии, движимое критической нехваткой пересаживаемых органов. В 1984 году гарвардский хирург Джозеф Ваканти обсудил дефицит печеней с инженером MIT Робертом Лангером. Вместе они представили выращивание новых тканей в лаборатории, начиная с кожи как доказательства концепции. Ключевое понимание Лангера — создать биодеградируемый каркас, поддерживающий культивированные фибробласты, извлеченные из донорских новорожденных препуций, практика, ставшая краеугольным камнем производства искусственной кожи.

Две основные производственные стратегии появились: метод полимерного каркаса, где фибробласты выращивают на полимерной сетке из молочной и гликольной кислот, и коллагеновый метод, где фибробласты внедряют в коллагеновый гель, извлеченный из молодых бичьих сухожилий. В обоих случаях кератиноциты позже посевают для формирования функционального эпидермального слоя.

Искусственные кожные пересадки предлагают явные преимущества перед традиционными: устраняют потребность в донорской ткани, могут массово производиться и криоконсервироваться для будущего использования, и строго скринируются на патогены — грипповирус, гепатит B и C, микоплазма — снижая риск инфекции. Поскольку инженирированная ткань лишена иммуногенных клеток, она в значительной степени нереактивна к иммунной системе реципиента, ускоряя реабилитацию и уменьшая шрамы.

Сырье

Ключевые биологические компоненты источают из новорожденных препуций, удаляемых при обрезании. Один препуций может дать достаточно клеток для производства пересадочного материала примерно для четырех акров кожи. Фибробласты изолируют из дермального слоя, карантинируют и тестируют на вирусы и другие загрязнители. Медицинская история донора записывается. После очистки фибробласты криоконсервируют в жидком азоте при –94°F (–70°C) и хранят до необходимости. В коллагеновом подходе кератиноциты аналогично извлекают, тестируют и замораживают.

Для полимерного каркаса полимер синтезируют поликонденсацией молочной и гликольной кислот, производя биодеградируемый материал, деградирующий по мере формирования новой ткани. В коллагеновом методе бычий коллаген извлекают из экстензорного сухожилия молодых телят, смешивают с кислотной питательной средой и хранят в холодильнике при 39,2°F (4°C).

Основное лабораторное оборудование включает стеклянные флаконы, трубки, роликовые бутылки, пересадочные картриджи, формы и морозильники.

Процесс производства

Производственный рабочий процесс engañosamente прост, разработан для стимулирования культивированных фибробластов вести себя так, будто они в своей нативной среде, тем самым способствуя естественному формированию ткани.

Метод полимерного каркаса

• 1. Разморозка и расширение фибробластов. Клетки переносят из криофиалок в роликовые бутылки — похожие на бутылки для газировки — вращаемые на боку 3–4 недели для обеспечения адекватной оксигенации.
• 2. Перенос в биореактор. Клетки смешивают с питательной средой и протекают через трубки в кассетоподобные биореакторы, содержащие биодеградируемую сетку. Стерилизация достигается электронно-лучевым облучением. Клетки прикрепляются к сетке, пролиферируют и постепенно потребляют полимер по мере созревания дермального слоя. Ежедневный мониторинг кислорода, pH, питательного потока и температуры поддерживает оптимальные условия роста.
• 3. Финализация и хранение. Когда дермальная матрица завершена, ткань промывают, добавляют криопротектор, отдельные кассеты маркируют и замораживают для будущего использования.

Коллагеновый метод

• 4. Внедрение фибробластов в коллаген. Малый объем холодного коллагена (≈12% от общего раствора) смешивают с фибробластами, дозируют в формы и позволяют согреться до комнатной температуры, где он гелеобразно и ловушки клетки.
• 5. Добавление кератиноцитов. Две недели после застывания коллагена, размороженные кератиноциты посевают на дермальный каркас, позволяют пролиферировать, а затем экспонируют воздуху для поощрения эпидермальной дифференциации.
• 6. Завершение. Инженирированную кожу собирают, стерильно упаковывают и хранят до необходимости.

Будущее

Технология искусственной кожи быстро расширяется за пределы лечения ожогов в более широкую регенерацию органов. Инженирированную ткань исследуют для замены металлических и пластиковых протезов при ремонте суставов и костей, для выращивания ушного и носового хрящей на полимерных сетках, и регенерации грудных и уретральных тканей в лаборатории. С продолжением достижений существует потенциал для изготовления функциональных печеней, почек и даже сердец из человеческих клеток, вестник новой эры регенеративной медицины.