ภาพรวมของวิศวกรรมเนื้อเยื่อ

ความสามารถของร่างกายมนุษย์ในการสร้างเนื้อเยื่อและอวัยวะขึ้นใหม่นั้นไม่มีประสิทธิภาพอย่างยิ่ง และการสูญเสียเนื้อเยื่อและอวัยวะของมนุษย์อาจเกิดขึ้นได้ง่ายเนื่องจากสิ่งต่าง ๆ เช่น ความพิการแต่กำเนิด โรค และการบาดเจ็บกะทันหัน เมื่อเนื้อเยื่อตาย (เรียกว่าเนื้อร้าย) จะไม่สามารถฟื้นคืนชีพได้ หากไม่ตัดออกหรือซ่อมแซม อาจส่งผลต่อส่วนอื่นๆ ของร่างกาย เช่น เนื้อเยื่อรอบข้าง อวัยวะ กระดูก และผิวหนัง

นี่คือจุดที่วิศวกรรมเนื้อเยื่อมีประโยชน์ โดยการใช้วัสดุชีวภาพ (สสารที่โต้ตอบกับระบบชีวภาพของร่างกาย เช่น เซลล์และโมเลกุลที่ออกฤทธิ์) เนื้อเยื่อที่ใช้งานได้สามารถสร้างขึ้นเพื่อช่วยฟื้นฟู ซ่อมแซม หรือเปลี่ยนเนื้อเยื่อและอวัยวะของมนุษย์ที่เสียหายได้

ประวัติโดยย่อ

วิศวกรรมเนื้อเยื่อเป็นสาขาการแพทย์ที่ค่อนข้างใหม่ โดยเริ่มการวิจัยในช่วงทศวรรษ 1980 เท่านั้น นักชีววิทยาศาสตร์และนักวิทยาศาสตร์ชาวอเมริกันชื่อ Yuan-Cheng Fung ได้ยื่นข้อเสนอต่อ National Science Foundation (NSF) สำหรับศูนย์วิจัยที่จะอุทิศให้กับเนื้อเยื่อที่มีชีวิต ฟุงนำแนวคิดเรื่องเนื้อเยื่อของมนุษย์มาปรับใช้กับสิ่งมีชีวิตใดๆ ระหว่างเซลล์และอวัยวะต่างๆ

จากข้อเสนอนี้ NSF ได้ระบุคำว่า “วิศวกรรมเนื้อเยื่อ” เพื่อพยายามสร้างสาขาใหม่ของการวิจัยทางวิทยาศาสตร์ สิ่งนี้นำไปสู่การก่อตั้งสมาคมวิศวกรรมเนื้อเยื่อ (TES) ซึ่งต่อมาได้กลายเป็นสมาคมวิศวกรรมเนื้อเยื่อและเวชศาสตร์ฟื้นฟูระหว่างประเทศ (TERMIS)

TERMIS ส่งเสริมการศึกษาและการวิจัยในสาขาวิศวกรรมเนื้อเยื่อและเวชศาสตร์ฟื้นฟู เวชศาสตร์ฟื้นฟูหมายถึงสาขาที่กว้างขึ้นที่เน้นทั้งวิศวกรรมเนื้อเยื่อตลอดจนความสามารถของร่างกายมนุษย์ในการรักษาตัวเองเพื่อฟื้นฟูการทำงานปกติของเนื้อเยื่อ อวัยวะ และเซลล์ของมนุษย์

วัตถุประสงค์ของวิศวกรรมเนื้อเยื่อ

วิศวกรรมเนื้อเยื่อมีหน้าที่หลักบางประการในด้านการแพทย์และการวิจัย: ช่วยในการซ่อมแซมเนื้อเยื่อหรืออวัยวะ รวมถึงการซ่อมแซมกระดูก (เนื้อเยื่อที่แข็งตัว) เนื้อเยื่อกระดูกอ่อน เนื้อเยื่อหัวใจ เนื้อเยื่อตับอ่อน และเนื้อเยื่อหลอดเลือด สาขานี้ยังดำเนินการวิจัยเกี่ยวกับพฤติกรรมของเซลล์ต้นกำเนิด เซลล์ต้นกำเนิดสามารถพัฒนาเป็นเซลล์ได้หลายประเภทและอาจช่วยซ่อมแซมส่วนต่างๆ ของร่างกาย

ลักษณะ 3 มิติของวิศวกรรมเนื้อเยื่อช่วยให้สามารถศึกษาสถาปัตยกรรมเนื้องอกในสภาพแวดล้อมที่แม่นยำยิ่งขึ้น วิศวกรรมเนื้อเยื่อยังช่วยสร้างสภาพแวดล้อมในการทดสอบยาชนิดใหม่ที่อาจเกิดขึ้นกับโรคเหล่านี้

มันทำงานอย่างไร

กระบวนการของวิศวกรรมเนื้อเยื่อนั้นซับซ้อน มันเกี่ยวข้องกับการสร้างเนื้อเยื่อทำงาน 3 มิติเพื่อช่วยซ่อมแซม เปลี่ยน และสร้างเนื้อเยื่อหรืออวัยวะในร่างกายใหม่ ในการทำเช่นนี้ เซลล์และชีวโมเลกุลจะรวมกับโครงนั่งร้าน

นั่งร้านเป็นโครงสร้างเทียมหรือโครงสร้างตามธรรมชาติที่เลียนแบบอวัยวะจริง (เช่น ไตหรือตับ) เนื้อเยื่อเติบโตบนโครงเหล่านี้เพื่อเลียนแบบกระบวนการทางชีวภาพหรือโครงสร้างที่ต้องเปลี่ยน เมื่อสิ่งเหล่านี้ถูกสร้างขึ้นร่วมกัน เนื้อเยื่อใหม่จะถูกสร้างขึ้นเพื่อจำลองสถานะของเนื้อเยื่อเก่าเมื่อมันไม่เสียหายหรือเป็นโรค

นั่งร้าน เซลล์ และชีวโมเลกุล

โครงนั่งร้านซึ่งปกติแล้วสร้างโดยเซลล์ในร่างกาย สามารถสร้างได้จากแหล่งต่างๆ เช่น โปรตีนในร่างกาย พลาสติกที่มนุษย์สร้างขึ้น หรือจากโครงที่มีอยู่ เช่น โครงจากอวัยวะผู้บริจาค ในกรณีของอวัยวะผู้บริจาค โครงนั่งร้านจะถูกรวมเข้ากับเซลล์จากผู้ป่วยเพื่อสร้างอวัยวะหรือเนื้อเยื่อที่ปรับแต่งได้ซึ่งจริง ๆ แล้วมีแนวโน้มว่าจะถูกปฏิเสธโดยระบบภูมิคุ้มกันของผู้ป่วย

ไม่ว่าจะก่อตัวอย่างไร โครงสร้างนั่งร้านนี้จะส่งข้อความไปยังเซลล์ที่ช่วยสนับสนุนและเพิ่มประสิทธิภาพการทำงานของเซลล์ในร่างกาย

การเลือกเซลล์ที่เหมาะสมเป็นส่วนสำคัญของวิศวกรรมเนื้อเยื่อ สเต็มเซลล์มีสองประเภทหลัก

ขณะนี้มีการวิจัยจำนวนมากเกี่ยวกับเซลล์ต้นกำเนิด pluripotent เช่นกัน (เซลล์ต้นกำเนิดสำหรับผู้ใหญ่ที่ถูกกระตุ้นให้ทำตัวเหมือนเซลล์ต้นกำเนิดจากตัวอ่อน) ตามทฤษฎีแล้ว มีเซลล์ต้นกำเนิด pluripotent อย่างไม่จำกัด และการใช้เซลล์เหล่านี้ไม่เกี่ยวข้องกับปัญหาการทำลายตัวอ่อนของมนุษย์ (ซึ่งเป็นสาเหตุของปัญหาด้านจริยธรรมเช่นกัน) อันที่จริง นักวิจัยที่ได้รับรางวัลโนเบลได้เปิดเผยการค้นพบของพวกเขาเกี่ยวกับสเต็มเซลล์ pluripotent และการใช้งานของพวกเขา

โดยรวมแล้ว ชีวโมเลกุลประกอบด้วยสี่กลุ่มหลัก (แม้ว่าจะมีคลาสรองเช่นกัน): คาร์โบไฮเดรต ลิปิด โปรตีน และกรดนิวคลีอิก ชีวโมเลกุลเหล่านี้ช่วยสร้างโครงสร้างและหน้าที่ของเซลล์ คาร์โบไฮเดรตช่วยให้อวัยวะต่างๆ เช่น สมองและการทำงานของหัวใจทำงาน เช่นเดียวกับระบบย่อยอาหารและภูมิคุ้มกัน

โปรตีนให้แอนติบอดีต่อต้านเชื้อโรคตลอดจนการสนับสนุนโครงสร้างและการเคลื่อนไหวของร่างกาย กรดนิวคลีอิกประกอบด้วย DNA และ RNA ซึ่งให้ข้อมูลทางพันธุกรรมแก่เซลล์

การใช้ทางการแพทย์

วิศวกรรมเนื้อเยื่อไม่ได้ใช้กันอย่างแพร่หลายสำหรับการดูแลผู้ป่วยหรือการรักษา มีบางกรณีที่มีการใช้วิศวกรรมเนื้อเยื่อในการปลูกถ่ายผิวหนัง การซ่อมแซมกระดูกอ่อน หลอดเลือดแดงขนาดเล็ก และกระเพาะปัสสาวะในผู้ป่วย อย่างไรก็ตาม ผู้ป่วยยังไม่ได้ใช้อวัยวะขนาดใหญ่ที่ออกแบบโดยเนื้อเยื่อ เช่น หัวใจ ปอด และตับ (แม้ว่าจะถูกสร้างขึ้นในห้องทดลองก็ตาม)

นอกจากปัจจัยเสี่ยงของการใช้วิศวกรรมเนื้อเยื่อในผู้ป่วยแล้ว ขั้นตอนดังกล่าวยังมีค่าใช้จ่ายสูงอีกด้วย แม้ว่าวิศวกรรมเนื้อเยื่อจะมีประโยชน์ในการวิจัยทางการแพทย์ โดยเฉพาะอย่างยิ่งเมื่อทำการทดสอบสูตรยาใหม่

ยาเฉพาะบุคคลช่วยในการตรวจสอบว่ายาบางชนิดทำงานได้ดีขึ้นสำหรับผู้ป่วยบางรายโดยพิจารณาจากองค์ประกอบทางพันธุกรรมหรือไม่ รวมทั้งลดต้นทุนในการพัฒนาและทดสอบกับสัตว์

ตัวอย่างวิศวกรรมเนื้อเยื่อ

ตัวอย่างล่าสุดของวิศวกรรมเนื้อเยื่อที่ดำเนินการโดยสถาบัน National Institute of Biomedical Imaging and Bioengineering รวมถึงวิศวกรรมของเนื้อเยื่อตับของมนุษย์ซึ่งถูกปลูกฝังในหนูเมาส์ เนื่องจากหนูใช้ตับของตัวเอง เนื้อเยื่อตับของมนุษย์จึงเผาผลาญยา โดยเลียนแบบวิธีที่มนุษย์ตอบสนองต่อยาบางชนิดในหนู ซึ่งจะช่วยให้นักวิจัยทราบถึงปฏิกิริยาระหว่างยาที่เป็นไปได้กับยาบางชนิด

ในความพยายามที่จะออกแบบเนื้อเยื่อด้วยเครือข่ายในตัว นักวิจัยกำลังทดสอบเครื่องพิมพ์ซึ่งจะสร้างโครงข่ายคล้ายหลอดเลือดจากสารละลายน้ำตาล สารละลายจะก่อตัวและแข็งตัวในเนื้อเยื่อที่ออกแบบไว้จนกระทั่งเลือดถูกเติมเข้าไปในกระบวนการ โดยเดินทางผ่านช่องทางที่มนุษย์สร้างขึ้น

ในที่สุด การฟื้นฟูไตของผู้ป่วยโดยใช้เซลล์ของผู้ป่วยเองเป็นอีกโครงการหนึ่งของสถาบัน นักวิจัยใช้เซลล์จากอวัยวะผู้บริจาครวมกับสารชีวโมเลกุลและโครงสร้างคอลลาเจน (จากอวัยวะผู้บริจาค) เพื่อสร้างเนื้อเยื่อไตใหม่

จากนั้นเนื้อเยื่ออวัยวะนี้ได้รับการทดสอบการทำงาน (เช่น การดูดซับสารอาหารและการผลิตปัสสาวะ) ทั้งภายนอกและภายในหนู ความก้าวหน้าในด้านวิศวกรรมเนื้อเยื่อนี้ (ซึ่งสามารถทำงานในทำนองเดียวกันกับอวัยวะ เช่น หัวใจ ตับ และปอด) อาจช่วยลดการขาดแคลนผู้บริจาค และลดโรคใดๆ ที่เกี่ยวข้องกับการกดภูมิคุ้มกันในผู้ป่วยปลูกถ่ายอวัยวะ

สัมพันธ์กับมะเร็งอย่างไร

การเติบโตของเนื้องอกในระยะแพร่กระจายเป็นหนึ่งในสาเหตุที่มะเร็งเป็นสาเหตุสำคัญของการเสียชีวิต ก่อนการสร้างวิศวกรรมเนื้อเยื่อ สภาพแวดล้อมของเนื้องอกสามารถสร้างขึ้นได้เฉพาะภายนอกร่างกายในรูปแบบ 2 มิติเท่านั้น ขณะนี้ สภาพแวดล้อม 3 มิติ ตลอดจนการพัฒนาและการใช้ประโยชน์ของวัสดุชีวภาพบางชนิด (เช่น คอลลาเจน) ช่วยให้นักวิจัยสามารถพิจารณาสภาพแวดล้อมของเนื้องอกได้จนถึงสภาพแวดล้อมจุลภาคของเซลล์บางชนิด เพื่อดูว่าจะเกิดอะไรขึ้นกับโรคเมื่อองค์ประกอบทางเคมีบางอย่างในเซลล์เปลี่ยนไป .

แม้ว่าความก้าวหน้าในการศึกษามะเร็งผ่านกระบวนการสร้างเนื้อเยื่อ การเติบโตของเนื้องอกมักจะทำให้หลอดเลือดใหม่ก่อตัวขึ้นได้ ซึ่งหมายความว่าถึงแม้จะมีความก้าวหน้าทางวิศวกรรมเนื้อเยื่อที่ทำกับการวิจัยโรคมะเร็ง แต่ก็อาจมีข้อจำกัดที่สามารถกำจัดได้โดยการปลูกถ่ายเนื้อเยื่อที่ออกแบบแล้วเข้าไปในสิ่งมีชีวิตเท่านั้น

อย่างไรก็ตาม สำหรับมะเร็ง วิศวกรรมเนื้อเยื่อสามารถช่วยในการกำหนดว่าเนื้องอกเหล่านี้ก่อตัวอย่างไร ปฏิกิริยาระหว่างเซลล์ปกติควรเป็นอย่างไร ตลอดจนการที่เซลล์มะเร็งเติบโตและแพร่กระจายไปอย่างไร วิธีนี้ช่วยให้นักวิจัยทดสอบยาที่จะส่งผลต่อเซลล์มะเร็งเท่านั้น เมื่อเทียบกับอวัยวะหรือร่างกายทั้งหมด