Ingineria tisulară este un domeniu multidisciplinar care vizează producerea de noi sisteme care să restabilească funcţionalitatea organelor şi ţesuturilor cu deficienţe sau deteriorate de boli sau traumatisme combinând principii şi teorii inginereşti cu cele ale ştiinţelor biomedicale [1-3].
La nivel tisular, celule sunt organizate într-o formă tridimensională şi sunt înconjurate de o serie de componente (colagen, elastină, acid hialuronic, proteoglicani, glicozaminoglicani, glicoproteine etc.) ale matricii extracelulare secretată de acestea. De asemenea, matricea extracelulară reprezintă mediul propice pentru creşterea şi diferenţierea celulelor cu funcţii diferite (expresie genică specifică fiecărui tip de ţesut) [1]. De aceea, în ingineria tisulară este necesară simularea mediului extracelular prin folosirea de celule specifice, matrice suport şi molecule semnal (de exemplu factori de creştere) care se regăsesc în matricea extracelulară corespunzătoare ţesutului care se doreşte a fi reparat [2]. În timp ce matricea suport favorizează adeziunea, migrarea şi organizarea celulară, moleculele semnal influenţează şi direcţionează fenotipul şi metabolismul celular.
Deşi celulele diferenţiate (celule nervoase, hepatice etc.) sunt utilizate frecvent la însămânţarea matricilor suport, celulele stem adulte au câştigat popularitate rapid datorită proprietăţilor biologice remarcabile precum potenţialul de a se diferenţia în diferite tipuri de celule. Atunci când celule stem sunt folosite în co-culturi, acestea pot în plus să inducă repararea tisulară [4]. Prin urmare, terapia cu celule stem a devenit o metodă de tratament promiţătoare care foloseşte atât celule stem autologe cât şi alogene pentru regenerarea ţesuturilor şi organelor lezate sau deteriorate de traumatisme prin refacerea micromediului local şi organizarea histostructurală. [4]
Deşi celule stem adulte au o capacitate mai scăzută de a se diferenţia decât celulele stem embrionare şi cele pluripotente induse (IPS) [5], utilizarea lor nu este împiedicată de aspectele etice asociate aplicării celulelor stem embrionare în medicină sau de costurile de producţie ridicate necesare izolării celulelor stem pluripotente induse. Din momentul identificării celulelor stem în stroma măduvei osoase (BMSCs) care a avut loc acum 42 de ani şi până în prezent, BMSCs au devenit un standard în medicină regenerativă datorită potenţialului ridicat de a se diferenţia şi a morbidităţii scăzute în timpul recoltării [6].
Din cauza numărului scăzut de celule stem care pot fi izolate din stroma măduvei osoase, la care se adaugă şi procedeul invaziv dureros de recoltare prin aspirare, s-au investigat şi alte surse de celule stem adulte, ajungându-se la concluzia că celule obţinute din ţesutul adipos (ASC) ar avea potenţial de diferenţiere şi capacitate regenerativă similare cu cele ale BMSCs. Prin urmare, celule stem adipoase au stârnit interesul medicilor chirurgici plasticieni, devenind o nouă frontieră în medicină regenerativă [7]. După prelevarea ţesutului adipos subcutanat prin liposucţie, pentru izolarea celulelor stem adipoase se foloseşte colagenaza, o enzimă hidrolitică, obţinându-se un ameste omogen de celule mixte denumit fracţie stromala vasculară care conţine pe lângă celule stem adipoase şi celule endoteliale, hematopoietice şi stromale [8]. Celule stem adipoase induc angiogeneza, secretă factori de creştere, reglează procesul inflamator şi se pot diferenţia în diferite tipuri de celule, proprietăţi care le recomandă pentru utilizarea în regenerarea tisulară [7]. În plus, celulele stem adipoase sunt stabile din punct de vedere genetic în culturi pe termen lung şi au efect imunomodulator [6].
Ţesut cutanat
În ingineria ţesutului cutanat, substituienţi care conţin celule stem previn temporar pierderea de fluide biologice şi infecţia cu bacterii si de asemenea stimulează procesul de reparare tisulară. Utilizarea celulelor stem poate îmbunătăţi calitatea procesului de vindecare, diminuând formarea de cicatrici şi restabilind funcţionalitatea pielii. De asemenea, alte studii de literatură au indicat că spre deosebire de fibroblastele dermale native, celulele stem derivate din măduva osoasă induc secreţia unei cantităţi mai mari de colagen şi a unei diversităţi de factori de creştere şi angiogenici [5].
Ţesut osos
Tratamentul defectelor osoase extinse presupune utilizarea de grefe osoase autologe sau implantarea de substituienţi osoşi pe bază de materiale biocompatibile. O alternativă la aceste tratamente o constituie obţinerea in vitro a unor grefe osoase biologice prin cultivarea celulelor stem în matrici suport cu structură tridimensională în condiţii care să permită formarea ţesutului osos. În cazul regenerării ţesutului osos, cele mai studiate surse pentru prelevarea de celule stem au fost măduva osoasă şi ţesutul adipos, cea din urmă sursa fiind mai accesibilă. Diferite grupuri de cercetare au observat formarea de structuri asemănătoare cu ţesutul osos prin însămânţarea de celule stem izolate din măduva osoasă şi ţesutul adipos pe matrici suport. Studiile clinice au arătat că astfel de matrici suport implantate în organism stimulează regenerarea osoasă, fără a se observa efecte adverse [10].
Inima
În prezent există mai multe studii care investighează eficienţa utilizării matricilor suport însămânţate cu celule stem sau a injecţiilor cu celule stem în tratamentul bolilor cardiovasculare. Celulele mononucleare şi celulele mezenchimale izolate din măduva osoasă, celulele stem cardiace endogene, celulele stem adipoase, celulele endoteliale progenitoare şi celulele stem pluripotente induse sunt câteva tipuri de celule stem care au fost testate excesiv din punctul de vedere al capacităţii de regenerare. În timp ce terapia cu celule stem are potenţialul de a deveni un tratament de ultimă generaţie, mai multe obstacole trebuiesc depăşite înainte de a deveni o terapie de rutină pentru regenerarea cardiovasculară. Pentru îndeplinirea acestui obiectiv, este necesar proiectarea de studii care să compare sistemic şi concomitent diferite tipuri de celule stem, cu variaţii minime între tipurile de afecţiuni cardiovasculare, vârsta, gen sau afecţiuni pre-existente [11].
Rinichi
Celulele stem mezenchimale au rol important în procesul de reparare şi de regenerare a ţesutului renal. Acestea au capacitatea de a restabili funcţionalitatea rinichilor chiar şi în cazul insuficienţii renale cronice [12]. Mai mult decât atât, Osafune şi colab. au reuşit să genereze ţesut al mezodermului intermedia, ţesut din care sunt în mare parte alcătuiţi rinichi, folosind celule stem pluripotente [13].
Ţesut nervos
De asemenea, MSCs, ADSCs, ESCs şi celulele stem adulte neuronale sunt utilizate în ingineria ţesutului neuronal [4].
Ficat
Terapia cu celule stem şi ingineria tisulară reprezintă metode de tratament alternative promiţătoare mai ales din cauza limitărilor impuse (disponibilitatea scăzută) de transplantul de ficat. Co-culturi pe bază de celule stem embrionare sau celule stem adulte şi hepatocite au fost intens studiate ca potenţiale terapii în afecţiunile hepatice. În cazul co-culturilor de hepatocite cu celule stem mezenchimale, s-a observat că hepatocitele au capacitatea de a stimula proliferarea şi diferenţierea celulelor stem mezenchimale [14].
Această lucrare a fost realizată cu sprijinul financiar al proiectului „Sistem integrat de îmbunătățire a calității cercetării doctorale și postdoctorale din România și de promovare a rolului științei în societate”, POSDRU/159/1.5/S/133652, finanțat prin Fondul Social European, Programul Operațional Sectorial Dezvoltarea Resurselor Umane 2007-2013.
Bibliografie
[1] Verma P, Verma V, Concepts of Tissue Engineering, în Animal Biotechnology: Models in Discovery and Translation, editată de Ashish Verma şi Anchal Singh, 2014, pp.233-245
[2] Kramschuster A , Turng LS , Fabrication of Tissue Engineering Scaffolds în Handbook of Biopolymers and Biodegradable Plastics, editată de Sina Ebnesajjad, 2013, pp.427–446
[3] Huang J, Lin X, Shi Y, Liu W. Tissue engineering and regenerative medicine in basic research: a year in review of 2014. Tissue Eng Part B Rev 21(2015):167-76
[4] Paschos NK, Brown WE, Eswaramoorthy R, Hu JC, Athanasiou KA . Advances in tissue engineering through stem cell-based co-culture. J Tissue Eng Regen Med. 9(2015):488-503
[5] Chen M, Przyborowski M, Berthiaume F. Stem cells for skin tissue engineering and wound healing. Crit Rev Biomed Eng. 37(2009):399-421
[6] Lindroos B, Suuronen R, Miettinen S. The potential of adipose stem cells in regenerative medicine. Stem Cell Rev. 7(2011):269-91
[7] Toyserkani NM, Christensen ML, Sheikh SP, Sørensen JA. Adipose-Derived Stem Cells: New Treatment for Wound Healing? Ann Plast Surg. 75(2015):117-23
[8] Asatrian G, Pham D, Hardy WR, James AW, Peault B. Stem cell technology for bone regeneration: current status and potential applications. Stem Cells Cloning. 8 (2015):39-48
[9] Wu Y, Wang J, Scott PG, Tredget EE. Bone marrow-derived stem cells in wound healing: a review. Wound Repair Regen. 15(2007), 18-S26
[10] Seong JM, Kim BC, Park JH, Kwon IK, Mantalaris A, Hwang YS. Stem cells in bone tissue engineering. Biomed Mater. 5(2010):062001.
[11] Dixit P, Katare R. Challenges in identifying the best source of stem cells for cardiac regeneration therapy. Stem Cell Res Ther. 6(2015)1-12
[12] Kirpatovskii VI, Kazachenko AV, Plotnikov EY, et al.. Functional aftereffects of intraparenchymatous injection of human fetal stem and progenitor cells to rats with chronic and acute renal failure. Bull Exp Biol Med. 141(2006): 500–506
[13] Mae SI , Shono A , Shiota F et al. Monitoring and robust induction of nephrogenic intermediate mesoderm from human pluripotent stem cells. Nature Communications. 4(2013):1-11
[14] Mizuguchi T, Hui T, Palm K, et al. Enhanced proliferation and differentiation of rat hepatocytes cultured with bone marrow stromal cells. J Cell Physiol. 189(2001):106–119.
Rusu Alina Gabriela 1,2
1– Facultatea de Inginerie Chimică şi Protecţia Mediului, Universitatea Tehnică “Gheorghe Asachi” Iaşi
2 – Universitatea “Alexandru Ioan Cuza” Iaşi
| Urmator > |
|---|
