Децеллюляризация
Децеллюляризация (также называемая «децеллюляризация» на британском английском языке) — это процесс, используемый в биомедицинской инженерии для изоляции внеклеточного матрикса (ECM) ткани от ECM населяющих ее клеток, оставляя каркас исходной ткани, который можно использовать в искусственных органах и тканях. регенерация. Трансплантация органов и тканей позволяет решить множество медицинских проблем, от недостаточности органов до косметической хирургии. Одно из самых больших ограничений трансплантации органов связано с отторжением органа, вызванным антителами реципиента трансплантата, реагирующими на донорские антигены на поверхностях клеток внутри донорского органа. [1] Из-за неблагоприятных иммунных реакций пациенты, перенесшие трансплантацию, всю жизнь страдают от приема иммунодепрессантов. Стивен Ф. Бадилак был пионером процесса децеллюляризации в Институте регенеративной медицины Макгоуэна при Питтсбургском университете. [2] В результате этого процесса создается природный биоматериал , который действует как каркас для роста, дифференциации и развития клеток клеток. Путем рецеллюляризации каркаса внеклеточного матрикса собственными клетками пациента устраняется неблагоприятный иммунный ответ. В настоящее время коммерчески доступные каркасы ECM доступны для широкого спектра тканевой инженерии . Было обнаружено, что использование надуксусной кислоты для децеллюляризации каркасов внеклеточного матрикса является неверным и лишь дезинфицирует ткань.
Благодаря широкому спектру доступных методов лечения, вызывающих децеллюляризацию, комбинации физических, химических и ферментативных методов лечения, чтобы гарантировать, что каркас ЕСМ сохраняет структурную и химическую целостность исходной ткани. тщательно контролируются [2] Ученые могут использовать приобретенный каркас ЕСМ для воспроизведения функционального органа, вводя клетки-предшественники или взрослые стволовые клетки (ASC) и позволяя им дифференцироваться внутри каркаса для развития в желаемую ткань. Полученный орган или ткань можно трансплантировать пациенту. В отличие от антител на клеточной поверхности, биохимические компоненты ЕСМ сохраняются между хозяевами, поэтому риск враждебного иммунного ответа сведен к минимуму. [3] [4] Надлежащая консервация волокон ЕСМ, факторов роста и других белков необходима для дифференцировки клеток-предшественников в правильные взрослые клетки. Успех децеллюляризации зависит от компонентов, плотности применяемой ткани и ее происхождения. [5] Децеллюляризирующий метод получения каркаса из биоматериала для регенерации тканей нашел применение в сердечных , кожных , легочных , почечных и других типах тканей. Полная реконструкция органов все еще находится на ранних стадиях разработки. [6]
Обзор процесса
[ редактировать ]
Исследователи могут взять ткань у донора или трупа , лизировать и убить клетки внутри ткани, не повреждая внеклеточные компоненты, и получить продукт, который является естественным каркасом ЕСМ, имеющим те же физические и биохимические функции, что и естественная ткань. . [2] Получив каркас ЕСМ, ученые могут рецеллюляризировать ткань с помощью мощных стволовых клеток или клеток-предшественников, которые дифференцируются в исходный тип ткани. При удалении клеток из донорской ткани иммуногенные антитела донора будут удалены. Клетки-предшественники могут быть взяты у хозяина, поэтому они не будут оказывать неблагоприятного воздействия на ткань. Этот процесс децеллюляризации тканей и органов все еще находится в стадии разработки, но именно процесс взятия ткани у донора и удаления всех клеточных компонентов считается процессом децеллюляризации. Шаги по переходу от децеллюляризованного каркаса ЕСМ к функциональному органу находятся под эгидой рецеллюляризации. Из-за разнообразия применений тканей в организме человека методы децеллюляризации должны быть адаптированы к конкретной ткани, на которой воздействуют. Исследуемые методы децеллюляризации включают физические, химические и ферментативные методы лечения. Хотя некоторые методы используются чаще, точная комбинация методов лечения варьируется в зависимости от происхождения ткани и того, для чего она нужна. [5]
Что касается введения различных жидких химических веществ и ферментов в орган или ткань, перфузии использовались методы и иммерсионной децеллюляризации. Перфузионная децеллюляризация применима, когда в органе или ткани присутствует обширная сосудистая система. Крайне важно, чтобы каркас ЕСМ был децеллюляризован на всех уровнях и равномерно по всей структуре. [7] [8] Из-за этого требования васкуляризированные ткани могут перфузироваться химическими веществами и ферментами через имеющиеся артерии, вены и капилляры. При этом механизме и надлежащих физиологических условиях лечение может одинаково распространяться на все клетки внутри органа. В конце процедуры средства можно удалить через вены. Сердечная и легочная децеллюляризация часто использует этот процесс децеллюляризации для введения лечения из-за их сильно васкуляризированной сети. Иммерсионная децеллюляризация достигается путем погружения ткани в химическую и ферментативную обработку. Этот процесс осуществить легче, чем перфузию , но он ограничивается тонкими тканями с ограниченной сосудистой системой. [ нужна ссылка ]
Физические процедуры
[ редактировать ]Наиболее распространенные физические методы, используемые для лизиса, уничтожения и удаления клеток из матрикса ткани с помощью температуры, силы и давления, а также электрического разрушения. Температурные методы часто используются в механизме быстрого замораживания-оттаивания. При быстром замораживании ткани вокруг плазматической мембраны образуются микроскопические кристаллы льда, и клетка лизируется. [9] После лизиса клеток ткань может подвергаться дополнительному воздействию жидких химикатов, которые разлагают и вымывают нежелательные компоненты. Температурные методы сохраняют физическую структуру каркаса ЕСМ, но лучше всего подходят для толстых и прочных тканей. [10]
Прямое давление на ткань гарантирует разрушение структуры ЕСМ, поэтому обычно используется давление. Децеллюляризация под давлением включает контролируемое использование гидростатического давления, прикладываемого к ткани или органу. Лучше всего это делать при высоких температурах, чтобы избежать неконтролируемого образования кристаллов льда, которые могут повредить каркас. Электрическое разрушение плазматической мембраны является еще одним способом лизировать клетки, находящиеся в ткани или органе. Под воздействием на ткань электрических импульсов на плазматической мембране образуются микропоры. Клетки в конечном итоге погибают после того, как их гомеостатический электрический баланс нарушается из-за приложенного стимула. Этот электрический процесс документирован как нетермическая необратимая электропорация (NTIRE) и ограничен небольшими тканями и ограниченными возможностями индукции электрического тока in vivo . [2]
Химическая обработка
[ редактировать ]Правильная комбинация химических веществ выбирается для децеллюляризации в зависимости от толщины, состава внеклеточного матрикса и предполагаемого использования ткани или органа. Например, ферменты не будут использоваться для коллагеновой ткани, поскольку они разрушают волокна соединительной ткани. Однако, когда коллаген не присутствует в высокой концентрации или не требуется в тканях, ферменты могут быть жизнеспособным вариантом децеллюляризации. Химические вещества, используемые для уничтожения и удаления клеток, включают кислоты, щелочные средства, ионные детергенты , неионные детергенты и цвиттерионные детергенты. [ нужна ссылка ]
Ионный детергент, додецилсульфат натрия (SDS), обычно используется из-за его высокой эффективности для лизиса клеток без значительного повреждения ECM. [11] [12] [13] Моющие средства эффективно лизируют клеточную мембрану и подвергают содержимое дальнейшему разложению. После того, как ДСН лизирует клеточную мембрану, эндонуклеазы и экзонуклеазы разрушают генетическое содержимое, в то время как другие компоненты клетки растворяются и вымываются из матрикса. SDS обычно используется, хотя он имеет тенденцию слегка нарушать структуру ECM. Щелочная и кислотная обработка может быть эффективным дополнением к лечению SDS из-за их способности разрушать нуклеиновые кислоты и солюбилизировать цитоплазматические включения . [5]
Наиболее известным неионогенным детергентом является Тритон Х-100 , который популярен благодаря своей способности нарушать липид-липидные и липид -белковые взаимодействия. Тритон Х-100 не нарушает белок-белковые взаимодействия, что полезно для сохранения целостности ЕСМ. ЭДТА — хелатирующий агент, связывающий кальций , который является необходимым компонентом для взаимодействия белков друг с другом. Делая кальций недоступным, ЭДТА предотвращает связывание интегральных белков между клетками друг с другом. ЭДТА часто используется с трипсином, ферментом, который действует как протеаза, расщепляя уже существующие связи между интегральными белками соседних клеток внутри ткани. Вместе комбинация ЭДТА-трипсин составляет хорошую команду для децеллюляризации тканей.
Ферментативные методы лечения
[ редактировать ]Ферменты, используемые при лечении децеллюляризации, используются для разрыва связей и взаимодействий между нуклеиновыми кислотами, взаимодействующими клетками через соседние белки и другими клеточными компонентами. Липазы , термолизин , галактозидаза , нуклеазы и трипсин использовались для удаления клеток. После лизиса клетки детергентом, кислотой, физическим давлением и т. д. эндонуклеазы и экзонуклеазы могут начать деградацию генетического материала. Эндонуклеазы расщепляют ДНК и РНК в середине последовательности. Бензоаза, эндонуклеаза, производит множество небольших ядерных фрагментов, которые могут подвергаться дальнейшему расщеплению и удалению из каркаса ЕСМ. [14] Экзонуклеазы действуют на концах последовательностей ДНК, расщепляя фосфодиэфирные связи и дополнительно разрушая последовательности нуклеиновых кислот. [ нужна ссылка ]
Ферменты, такие как трипсин, действуют как протеазы, расщепляющие взаимодействия между белками. Хотя трипсин может оказывать неблагоприятное воздействие на коллагеновые и эластиновые волокна внеклеточного матрикса, его использование в зависимости от времени позволяет контролировать любое потенциальное повреждение, которое он может нанести внеклеточным волокнам. Диспаза используется для предотвращения нежелательной агрегации клеток, что способствует их отделению от каркаса ЕСМ. Эксперименты показали, что диспаз наиболее эффективен на поверхности тонких тканей, таких как легкие, при регенерации легочной ткани. Чтобы успешно удалить глубокие клетки ткани с диспазом, в процесс часто включают механическое встряхивание. [ нужна ссылка ]
Коллагеназа используется только в том случае, если продукт каркаса ЕСМ не требует интактной структуры коллагена. Липазы обычно используются, когда необходимы децеллюляризированные кожные трансплантаты. Липазные кислоты действуют на децеллюляризацию кожных тканей посредством делипидирования и расщепления взаимодействий между сильно липидизированными клетками. Фермент α-галактозидаза является подходящим средством лечения при удалении эпитопного антигена Gal с поверхности клеток. [5]
Приложения
[ редактировать ]Естественный каркас ЕСМ обеспечивает необходимую физическую и биохимическую среду для облегчения роста и специализации мощных предшественников и стволовых клеток. Бесклеточные матриксы были выделены in vitro и in vivo в ряде различных тканей и органов. [6] Децеллюляризованный ЕСМ можно использовать для подготовки биочернил для 3D-биопечати. [15] Наибольший успех при использовании децеллюляризированных тканей был достигнут при использовании симметричных тканей с меньшей специализацией, таких как костные и кожные трансплантаты; однако исследования и успехи продолжаются на уровне органов.
Бесклеточные дермальные матрицы оказались успешными в ряде различных применений. Например, кожные трансплантаты используются в косметической хирургии и лечении ожогов. Децеллюляризированный кожный трансплантат обеспечивает механическую поддержку поврежденного участка, одновременно поддерживая развитие соединительной ткани хозяина. Сердечная ткань добилась клинических успехов в создании человеческих клапанов из натуральных матриксов ЕСМ. [16] Методика, известная как процедура Росса, использует бесклеточный сердечный клапан для замены дефектного клапана, позволяя нативным клеткам повторно заселить вновь функционирующий клапан. Децеллюляризированные аллотрансплантаты имеют решающее значение для костных трансплантатов, которые выполняют функцию реконструкции кости и замены деформированных костей у пациентов.
Ограничения тканевой инженерии миокарда связаны с возможностью немедленно перфузировать, посеять и внедрить сердце пациенту. Хотя каркас ЕСМ сохраняет белки и факторы роста естественной ткани, специализация на молекулярном уровне еще не была использована исследователями, использующими децеллюляризированные сердечные каркасы. Больший успех в использовании целого органа с помощью методов децеллюляризации был достигнут при исследованиях легких. Ученым удалось регенерировать целые легкие in vitro из легких крысы с помощью перфузии-децеллюляризации. Путем посева матрицы клетками легких плода крысы было получено функционирующее легкое. Легкое , полученное in vitro, было успешно внедрено на крысу, что свидетельствует о возможности переноса органа, полученного in vitro, в пациента.
Другие успехи в децеллюляризации были обнаружены в подслизистой оболочке тонкой кишки (SIS), почках, печени, [17] и инженерия поджелудочной железы. [18] Поскольку это тонкий материал, матрицу SIS можно децеллюляризировать путем погружения ткани в химическую и ферментативную обработку. Инженерия почечной ткани все еще развивается, но матрикс трупной почки способен поддерживать развитие мощных клеток почек плода. Инженерия поджелудочной железы является свидетельством молекулярной специфичности органов. Ученым еще не удалось создать полностью функционирующую поджелудочную железу , но им удалось создать орган, функционирующий в определенных сегментах. Например, было показано, что диабет у крыс снижается при посеве матрикса поджелудочной железы в определенных местах. [6] Будущее применение децеллюляризованного тканевого матрикса все еще находится в стадии разработки и считается одной из самых многообещающих областей регенеративных исследований.
См. также
[ редактировать ]
- Трансплантация органов
- Регенерация у человека
- Регенеративная медицина
- Тканевая инженерия
- Отторжение трансплантата
Ссылки
[ редактировать ]- ^ Колако М, Атала А (2014). «Будущее трансплантационной биологии и хирургии». Междисциплинарная медицина . 15 : 206–218.
- ^ Перейти обратно: а б с д Гилберт Т.В., Селларо Т.Л., Бадилак С.Ф. (июль 2006 г.). «Децеллюляризация тканей и органов». Биоматериалы . 27 (19): 3675–3683. doi : 10.1016/j.bimaterials.2006.02.014 . ПМИД 16519932 .
- ^ Exposito JY, Д'Алессио М, Солурш М, Рамирес Ф (август 1992 г.). «Коллаген морского ежа эволюционно гомологичен про-альфа-2 (I) коллагену позвоночных» . Журнал биологической химии . 267 (22): 15559–15562. дои : 10.1016/S0021-9258(19)49572-0 . ПМИД 1639795 .
- ^ Константину К.Д., Хименес С.А. (февраль 1991 г.). «Структура кДНК, кодирующей трехспиральный домен цепи мышиного альфа 2 (VI) коллагена, и сравнение с гомологами человека и кур. Использование полимеразной цепной реакции и частично вырожденного олигонуклеотида для создания новых клонов кДНК». Матрица . 11 (1): 1–9. дои : 10.1016/s0934-8832(11)80221-0 . ПМИД 1709252 .
- ^ Перейти обратно: а б с д Крапо П.М., Гилберт Т.В., Бадилак С.Ф. (апрель 2011 г.). «Обзор процессов децеллюляризации тканей и целых органов» . Биоматериалы . 32 (12): 3233–3243. doi : 10.1016/j.bimaterials.2011.01.057 . ПМК 3084613 . ПМИД 21296410 .
- ^ Перейти обратно: а б с Сон Джей-Джей, Отт ХК (август 2011 г.). «Органная инженерия на основе каркасов децеллюляризованного матрикса». Тенденции молекулярной медицины . 17 (8): 424–432. doi : 10.1016/j.molmed.2011.03.005 . ПМИД 21514224 .
- ^ Отт ХК, Маттисен Т.С., Гох С.К., Блэк Л.Д., Крен С.М., Нетофф Т.И., Тейлор Д.А. (февраль 2008 г.). «Перфузионно-децеллюляризованная матрица: использование природной платформы для создания биоискусственного сердца». Природная медицина . 14 (2): 213–221. дои : 10.1038/nm1684 . ПМИД 18193059 . S2CID 12765933 .
- ^ Гайетт Дж.П., Гилпин С.Э., Чарест Дж.М., Тапиас Л.Ф., Рен Икс, Отт ХК (29 мая 2014 г.). «Перфузионная децеллюляризация целых органов». Протоколы природы . 9 (6): 1451–1468. дои : 10.1038/нпрот.2014.097 . ПМИД 24874812 . S2CID 7397409 .
- ^ Флинн Л.Е. (июнь 2010 г.). «Использование децеллюляризованной жировой ткани для создания индуктивной микросреды для адипогенной дифференцировки стволовых клеток человека, полученных из жировой ткани». Биоматериалы . 31 (17): 4715–4724. doi : 10.1016/j.bimaterials.2010.02.046 . ПМИД 20304481 .
- ^ Раббани М., Закян Н., Алиморади Н. (2021). «Вклад физических методов в децеллюляризацию тканей животных» . Журнал медицинских сигналов и датчиков . 11 (1): 1–11. дои : 10.4103/jmss.JMSS_2_20 . ПМК 8043117 . ПМИД 34026585 .
- ^ Отт ХК, Маттисен Т.С., Гох С.К., Блэк Л.Д., Крен С.М., Нетофф Т.И., Тейлор Д.А. (февраль 2008 г.). «Перфузионно-децеллюляризованная матрица: использование природной платформы для создания биоискусственного сердца». Природная медицина . 14 (2): 213–221. дои : 10.1038/nm1684 . ПМИД 18193059 . S2CID 12765933 .
- ^ Гайетт Дж.П., Гилпин С.Е., Чарест Дж.М., Тапиас Л.Ф., Рен Икс, Отт ХК (2014). «Перфузионная децеллюляризация целых органов». Протоколы природы . 9 (6): 1451–1468. дои : 10.1038/нпрот.2014.097 . ПМИД 24874812 . S2CID 7397409 .
- ^ Гилпин С.Э., Гайетт Дж.П., Гонсалес Дж., Рен Икс, Асара Дж.М., Матисен Дж.Д. и др. (март 2014 г.). «Перфузионная децеллюляризация легких человека и свиньи: доведение матрицы до клинических масштабов». Журнал трансплантации сердца и легких . 33 (3): 298–308. дои : 10.1016/j.healun.2013.10.030 . ПМИД 24365767 .
- ^ Петерсен Т.Х., Калле Э.А., Чжао Л., Ли Э.Дж., Гуй Л., Рэредон М.Б. и др. (июль 2010 г.). «Тканеинженерные легкие для имплантации in vivo» . Наука . 329 (5991): 538–541. Бибкод : 2010Sci...329..538P . дои : 10.1126/science.1189345 . ПМЦ 3640463 . ПМИД 20576850 .
- ^ Абачи, Альперен; Гувендирен, Мурат (декабрь 2020 г.). «Разработка биочернил на основе децеллюляризованного внеклеточного матрикса для 3D-биопечати» . Передовые материалы по здравоохранению . 9 (24). дои : 10.1002/adhm.202000734 . ISSN 2192-2640 .
- ^ Циммерманн В.Х., Мельниченко И., Васмайер Г., Дидье М., Найто Х., Никсдорф У. и др. (апрель 2006 г.). «Инженерные трансплантаты сердечной ткани улучшают систолическую и диастолическую функцию сердца крыс, перенесших инфаркт». Природная медицина . 12 (4): 452–458. дои : 10.1038/nm1394 . ПМИД 16582915 . S2CID 24594445 .
- ^ Мацца Дж., Ромбоутс К., Ренни Холл А., Урбани Л., Винь Луонг Т., Аль-Аккад В. и др. (август 2015 г.). «Децеллюляризованная печень человека как природный 3D-каркас для биоинженерии и трансплантации печени» . Научные отчеты . 5 : 13079. Бибкод : 2015NatSR...513079M . дои : 10.1038/srep13079 . ПМЦ 4528226 . ПМИД 26248878 .
- ^ Го С.К., Бертера С., Олсен П., Кандиелло Дж.Е., Халфтер В., Уечи Г. и др. (сентябрь 2013 г.). «Перфузионно-децеллюляризованная поджелудочная железа как естественный трехмерный каркас для тканей поджелудочной железы и инженерии целых органов» . Биоматериалы . 34 (28): 6760–6772. doi : 10.1016/j.bimaterials.2013.05.066 . ПМЦ 3748589 . ПМИД 23787110 .