1988 führte der Biomechaniker Yuan-Cheng Bert Fung das Konzept des Tissue Engineerings ein. Tissue Engineering ist ein Zweig des Bioengineerings, welcher sich mit der Entwicklung von Methoden zur Herstellung funktioneller biologischer Gewebe im Labor befasst. Diese Disziplin kombiniert die Prinzipien der Zell- und Molekularbiologie, der Materialphysik, des Designs medizinischer Geräte und der Zellkultur, um künstliche biologische Gewebe unter Verwendung biomimetischer Zellen und Materialien herzustellen. In diesem Artikel wirft Alcimed einen Blick auf die verschiedenen Anwendungsmöglichkeiten des Tissue Engineerings und die Entwicklung dieser Disziplin im Zuge des technologischen Fortschritts.
Tissue Engineering basiert auf zwei Elementen: der Matrix bzw. der Struktur, auf der die Gewebearchitektur aufgebaut werden soll, und den Stammzellen, die zuvor in vitro oder, nach der Implantation in die Matrix, in vivo zugegeben werden können. Der technische Fortschritt auf diesem Gebiet ist ungebrochen. Im Bereich der Matrix- und Gewebeherstellung sind die Fortschritte vor allem durch die Entwicklung des 3D-Bioprinting und der Nanofabrikation gekennzeichnet.
3D-Bioprinting ermöglicht die Herstellung komplexer Gewebestrukturen mit hoher Präzision. Es können sowohl dreidimensionale Matrizes als auch Gewebe hergestellt werden. Beim 3D-Druck können Form, Größe und Porosität der Matrix, sowie die Anordnung der Zellen kontrolliert werden. Nanofabrikation ist ein Fertigungsverfahren im Nanomaßstab, das zur Erstellung von Matrizes mit einer bestimmten mechanischen Funktion, insbesondere in Bezug auf Steifigkeit und Porosität, eingesetzt wird. Bei den für diese Matrizes verwendeten Biomaterialien kann es sich um Polymere, Hydrogele und Verbundwerkstoffe handeln.
In der Zellkultur sind 3D-Zellkultur und die Verwendung von Stammzellen zwei Techniken, die zu Fortschritten in der Zell- und Gewebezüchtung geführt haben. Anstatt Stammzellen auf flachen Oberflächen zu kultivieren, ermöglicht die 3D-Kultur die Entwicklung von Zellen in einer Umgebung, die ihrer natürlichen Umgebung ähnlicher ist, was zu präziseren Ergebnissen und einer besseren Gewebefunktion führen kann. Stammzellen sind Zellen, die sich in verschiedene spezialisierte Zelltypen differenzieren können, was sie für die Gewebezüchtung sehr nützlich macht. Sie können zur Produktion komplexer künstlicher Gewebe wie Knochen, Muskeln und Blutgefäße und sogar von Organen wie Herz und Nieren verwendet werden.
Tissue Engineering ist eine sehr vielseitige Disziplin mit zahlreichen Anwendungsmöglichkeiten. In der Kosmetik und in anderen Bereichen wie der Chemie kann Tissue Engineering zur Herstellung von biologischem Gewebe verwendet werden, an dem die Wirksamkeit und Toxizität von Inhaltsstoffen getestet werden kann.
Diese Technologie ermöglicht es, bestimmte Krankheiten wie Krebs, Herzkrankheiten und neurodegenerative Erkrankungen in vitro zu modellieren. Diese biologischen Gewebemodelle können dann verwendet werden, um die Entwicklung der Erkrankung in vitro zu untersuchen oder um neue Therapien zu bewerten (beispielsweise die Entwicklung eines neuen Medikaments).
Tissue Engineering kann auch eingesetzt werden, um menschliche Gewebe und Organe zu reparieren, die durch Krankheit, Trauma oder Alterung beschädigt oder verloren gegangen sind. In diesem Fall spricht man von regenerativer Medizin, die Tissue-Engineering-Techniken für medizinische Anwendungen nutzt.
Erfahren Sie mehr über die regenerative Medizin und ihre Anwendungsmöglichkeiten >
Die Zell- und Gewebezüchtung ist eine vielversprechende Disziplin, die das Potenzial hat, die Medizin zu revolutionieren, indem sie wirksamere und nachhaltigere Therapien für Patienten mit chronischen Krankheiten oder schweren Verletzungen bietet. Mehrere große Erfolge haben das Potenzial dieser Disziplin gezeigt, das Leben von Patienten zu verbessern.
Künstliche Haut: Heute gibt es eine Reihe von Lösungen, die mehr oder weniger komplex sind und auf verschiedene Hautfunktionen abzielen. Synthetische Haut begann mit der Entwicklung azellulärer Haut- oder Epidermisersatzstoffe und wurde dann komplexer durch den Zusatz von Zellen, häufig Stammzellen, die sich zu Keratinozyten oder Fibroblasten differenzieren, oder Zellen, die dem Patienten direkt entnommen wurden. Heute stehen neue, komplexere Ersatzmaterialien zur Verfügung, insbesondere dermo-epidermale Ersatzmaterialien. Darüber hinaus werden zahlreiche Studien durchgeführt, um Elemente hinzuzufügen, die in der Struktur oder Zusammensetzung der Haut in vivo fehlen (beispielsweise Nerven, Hautanhangsgebilde, Vaskularisierung, Pigmentierung).
Knochenimplantate: Hier besteht die Herausforderung darin, Trägermaterialien für Biomaterialien herzustellen, die die hochporöse Struktur der Spongiosa nachbilden, welche für die Gefäßbildung und das Knochenwachstum unerlässlich ist, und gleichzeitig eine hohe mechanische Festigkeit aufweisen, um bei der Implantation ausreichend Halt zu bieten. Diesem Biomaterial können weitere Elemente beigemischt werden, um die Gewebereparatur zu beschleunigen und zu verbessern (beispielsweise Zellen, aber auch Wachstumsfaktoren, angiogene Faktoren, Differenzierungsfaktoren oder Medikamente).
Weitere Gewebeersatzmaterialien sind durch Tissue Engineering möglich, und die Herausforderung der Zukunft besteht darin, komplexe synthetische Organe durch Tissue Engineering zu entwickeln. Dies ist bereits für eine Reihe von Krankheiten gelungen wie beispielsweise für Augenkrankheiten mit Netzhautimplantaten, für Herzkrankheiten mit einem künstlichen Herzen und für Kehlkopfoperierte mit einem künstlichen Kehlkopf.
Zusammenfassend lässt sich sagen, dass sich das Tissue Engineering bereits in einem breiten Spektrum von Anwendungen bewährt hat, wobei die Entwicklung in den letzten Jahren im medizinischen Bereich besonders ausgeprägt war. Die technischen Fortschritte in diesem Bereich haben zu erheblichen Verbesserungen in der Komplexität und Zusammensetzung der künstlichen Gewebe geführt. Interessieren Sie sich für diese Techniken oder für Produkte aus dem Bereich Tissue Engineering? Alcimed kann Ihnen helfen, diesen boomenden Markt zu entdecken. Zögern Sie nicht, unser Team zu kontaktieren!
Über die Autorinnen,
Marie-Zoé, Consultant in Alcimeds Life Sciences Team in Frankreich
Xiaolin, Project Manager in Alcimeds Life Sciences Team in Frankreich
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