На главную страницу
 
 Главное 
 Новости 
 Причины Старения 
 Технологии Будущего 
 Продление Жизни 
 Разное 
Добавить в избранноеКонтакт




Авторизация





    

 Запомнить меня на этом компьютере

Поиск по сайту






Библиотека по геронтологии





 


поддержи проект
поставь нашу кнопку
на свой сайт!

Код кнопки:



БИОИНЖЕНЕРИЯ : основы и задачи

23.12.2010  Биоинженерия.

Давайте взглянем на ряд процессов биологии с точки зрения биоинженерии.
Поговорим о биоимплантантах и биоматериалах.

Любой имплантат или биоматериал, при введении в организм приводит к формированию стереотипных ответных реакций. Они проявляются в форме повреждения (деструкция, деформация, некроз) структуры и функции тканей и органов (механической, опорно-двигательной, биохимической, электрофизиологической и др.) и экстрацеллюлярного матрикса (коллагена, эластина, гликозаминогликанов, изменение структуры кристаллической решетки гидроксилапатита, кальций фосфатов и т.п.). Затем поврежденные структуры в процессе воспалительной реакции удаляются путем фагоцитоза макрофагами, растворения или биодеградации.

В свою очередь продукты распада тканей и воспалительных реакций вокруг имплантата стимулируют запуск процессов регенерации и репарации поврежденных структур, которые полностью или частично восстанавливаются с участием стволовых клеток и их более дифференцированных потомков. Параллельно реконструируются сосуды и нервные волокна.

Происходит интеграция имплантата с окружаемыми тканями и органами в виде сложной биоинженерной конструкции. Если характер повреждения носит необратимый характер, то образовавшиеся дефекты заполняются фиброзной тканью в виде стромальной капсулы, рубца, замещаются другими клеточными элементами (жировыми, опухолевыми) или заполняются межтканевой жидкостью. Кроме того, имплантат может просто вытесняться из организма или разрушаться в результате деформации, растворения или растворения и деградации. При этом продукты распада имплантата и клеток могут вызывать развитие иммунологического конфликта, формирования аллергических реакций ил хронического воспаления. С общетеоретических позиций каждый этап (на примере материалов, применяемых в травматологии, ортопедии и стоматологии) наступающий после имплантации биоматериала может протекать по трем основным стереотипам: - гипоэргическому (индифферентные и биоинертные материалы); - нормэргическому (остеокондуктивные материалы); - гиперэргическому ( остеоиндуктивные материалы).

Оказалось, что биоинертные материалы лучше применять при лечении инфецированных травм, переломов и молодых людей, у которых не нарушены процессы формирования кости. Для лиц пожилого возраста с признаками остеопороза или остеомаляции, парадонтоза, больных остеодисплазией, лечении сложных форм переломов, протезировании зубов и суставов, лучше использовать биоактивные имплантаты с остеокондуктивными и (или) остеоиндуктвными свойствами. При этом если имплантат будет находиться в организме относительно малое время, например при лечении переломов, пломбировки зубов, целесообразно применять биоинертные материалы и, напротив, если имплантат извлекать не будут в течение всей жизни, то его лучше изготавливать из остеоинтегративных и (или) биодеградируемых имплантатов и соединений. Теоретически еще одним направлением в развитии медицинского материаловедения является создание таких покрытий, которые бы строили вокруг себя костную ткань. Основные работы в этом направлении ведутся с использованием коллагена, витронектина, фибронектина, ростовых факторов, цитокинов в различных комбинациях и даже живых клеток.

Однако, эти работы пока еще не нашли практического применения в силу ряда причин. В первую очередь любой ростовой фактор или молекула адгезии включается в каскадный механизм формирования микроокружения в строго определенный период времени и последовательности[]. Следовательно, биомолекулы или МСК, остеогенные клетки-предшественницы, остеобласты, остеоциты, остеоциты, чтобы образовать полноценную костную ткань должны включиться в работу сразу же после стадий операционной травмы и последующей фазы воспаления вокруг имплантата. Эти фазы, как известно заканчиваются к концу второй-третьей недели. Причем к этому моменту к имплантату должны подойти (прорасти) сосуды, без которых костеобразование не возможно. Кинетика выхода кальция, фосфора с поверхности имплантат, как правило, идет экспоненциально и заканчивается через 6-14 суток, если не изпользовать долгорезорбируемые фракции КФ.

Кроме того, ростовые фактры и биоактивные молекулы имеют очень небольшой период полужизни, который исчисляется несколько часов. В качестве примера можно привести данные D. Metcalf (1989), который показал, что меченый колониестимулярующий фактор, после внутривенного введения утилизируется (до 90%) в течение 1,5 часа, а остальные 10% уже не определяются в исполнительных тканях и органах через 6 часов.

Использование микрокапсул в которые заключают лекарственные средства с строго определенным сроком биодеградации целесообразно в фармакологии, но не в травматологии. При использовании полимерных покрытий с строго определенным временем растворения при нанесении на имплантат возникают дополнительные проблемы связанными с его биосовместимостью, а также с техникой нанесения их на металлический имплантат. Кроме того, все цитокины, адгезины и другие факторы имеют жесткие ограниченные и температурные режимы и сроки хранения.

Так, например коммерческие интерлейкины, колониестимулирующие факторы, МБК, инсулиноподобные белки - не более полугода при температуре -300С. Малейшее нарушение в температурном балансе при транспортировке и хранении приводит к потере их биологической активности. Следует, однако, помнить, что многие понятия, связанные с тестированием биоматериалов уже разработаны мировым сообществом. Так, в частности для многих материалов, используемых в имплантологии, уже есть тесты на химический анализ, кристалличность, следовые элементы, гемосовместимсть, биосовместимость, цитотоксичность, острую и хроническую токсичность, воспаление, сенсибилизацию, растворение, биодеградацию [ISO 10993-3-15 ISO /DIS 13779; ASTM F 1185, 1988; ISO 5961; ISO 8288; NF S 94 - 066 ; NF S 94 - 068]. Кроме того, стандарты качества существуюттакже и для модели для демонстрации обеспечения качества при проектировании, разработке, производстве, монтаже, конечному испытанию и обслуживанию изделия [ISO 9001,ISO 9002, ISO 9003].

Более перспективным на наш взгляд является использование внедрения в поверхность имплантатов атомов и молекул, обладающих направленным векторным действием. Под этим термином мы подразумеваем, что такие атомы и молекулы, способны сами по себе формировать костную ткань или на их поверхности избирательно адсорбируются ростовые факторы, молекулы адгезии и клетки, создавая необходимое микроокружения для построения нужного типа ткани. Кроме того, они способны за счет биодеградации локально поддерживать необходимых состав кальция, фосфора и других микроэлементов в течение достаточного для костеобразования периода времени, т.е. являться своеобразной буферной системой. Это чрезвычайно важно, например, при лечении остеопороза, когда костная ткань больного, нуждается в ионах Ca и Р .
Биологическая активность КФ, включая ГА и ТКФ, очевидно, может обладать прямыми и (или) опосредованным (остеокондуктивным, остеоиндуктивным) биологическими свойствами. Их механизмы реализуются через цепь последоательных событий, включая, адгезию циркулирующих в крови и межклеточной жидкости ионов, молекул адгезии типа адгезинов, интегринов, катгеринов и селектинов, ростовых и других факторов, которые все вмести стимулируют, мигрирующие на имплантат МСК из крови или тканей, к пролиферации и дифференцировки в направлении остео-хондро и неогенеза. Следует подчеркнуть, что мы стоим только в начале понимания этого сложно пути. Как отметили академик РАМН В.Н.

Ярыгин и другие ученые, на конференции по стволовым клеткам, биоинженерии и перспективам их использования в здравоохранении в 2008 г., наступило время, когда мы должны прейти от клеточного материала к клеточному продукту (трансплантанту) и клеточным технологиям. Аналогичная ситуация возникла и при разработке новых, перспективных биоматериалов. Идут активные работы по изучению свойств нантоструктурированного титана, кальциофосфатов и активной биокерамики. Более того, имплантат может содержать в своем составе специфические ростовые факторы, молекулы не только для костной ткани, но и других, например, миогенеза. Так, добавление в структуру трехмерного скаффолда 5-азацитидина приводит к формированию в их структуре из мезенхимальных стволовых клеток мышечных клеток ( Микрофотографий трехмерного скаффолда из коллагена и желатина после 2-недельного культивирования в системе in vitro с костномозговыми МСК с добавлением 5-азацитидина.

Окраска гематоксилин. Ув. 400х. Мышечные клетки выглядят в виде вытянутых элементов, расположенными между волокнами коллагена и мононуклеаров (Шахов и др., 2009). Таким способом можно создавать разнообразные биоинженерные конструкции, включая искусственные ткани и органы с необходимыми клеточными элементами. Именно сейчас выдвигаются новые гипотезы концепции, методы и одновременно продолжается стадия накопление фактического материала. Мы еще не достигли критической массы знаний в этой отрасли медицины, когда станет возможным глубоко всесторонне обсудить все положительные и отрицательные стороны клеточной технологии в медицинском материаловедении на фундаментальном уровне.

Пока можно говорить лишь об основных направлениях, тенденциях, проверять в эксперименте и практике первые результаты исследований. При создании новых имплантатов для нужд биоинженерии и практической медицины надо решить многие вопросы и задачи практического характера.

В частность речь идет о технических задачах, связанных:

1. С выбором материала для имплантатов. 2. Изучением его механических, физико-электро-химических свойств. 3. Изучением биосовместимости имплантата. 4. Проведением токсикологических, местнораздражающих, канцерогенных, аллергенных, иммунных и мутагенных, эмбриогенных свойств материалов. 5. Разработкой оптимальных путей и способов имплантации материала. 6. Изучением возможных позитивных и негативных реакций на введения бимоматериала в ранний и отдаленный период. 7. Проведение предклинических и клинических испытаний материала в соответствии с требованиями Министерства социальной защиты и здравоохранения РФ.Проектирование изделия, проведение необходимых инженерных и конструкторских работ. 8. Создание технологической линии производства готового изделия; его стерилизации и упаковки. Кроме того, необходимо решить правовые и коммерческие вопросы. Они касаются проведения патентных работ, сертификации готовых изделий их линии по их производству, хранению, транспортировки. Кроме того, готовое изделие или технология должны быть включена в реестр медицинских изделий РФ, а их клиническое использование разрешено Министерством социальной защиты и здравоохранения РФ. Для того чтобы продукт успешно продвигать в широкую практику требуется проведение всесоторонних маркетинговых исследований, определение рынка сбыта, цены производства и готового изделия, вплоть до заключения конкретных договоров. Оказалось, что имплантация биоматериалов с нанесенными на их поверхность стволовыми клетками, остеобластами или остеоцитами в траматологии и ортопедии малоэффективна.

Почему это происходит? Ответом может служить хорошо известный факт, что введение любого имплантата в костную ткань вызывает их повреждение, некроз, воспаление. При этом зона воспалительного инфильтрата вокруг биоматериала имеет низкую насыщенность кислородом, а из погибщих клеток выделяются многочисленные лизосомальные ферменты. Кроме того, повышается кислотность и возрастает содержание ионов кальция, калия, магния и хлора. Все эти факторы губительно действуют на СК и другие типы клеток, нанесенные на имплантат. Они разрушаются за счет лизиса, осмотического шока, такневой гипоксии, некроза и апоптоза. В результате чего такой тип комбинированной клеточной терапии совместно с биоматериалами оказывается не только не эффективным, но и не целесообразным. Стволовые клетки работают только тогда, когда начинаются процессы тканевой регенерации вокруг имплнтата, т.е. заканчивается фаза воспаления, и начинается стадия роста и замещение поврежденных структур (фаза регенерации), образюется новая ткань. Именно в этот период органы и ткани, в которые введен имплантат, нуждаются в стволовых и специализрованных клетках.

Затем, после ее восстановления ткани между имплантатом и организмом устанавливается некое равновесие и начинается стадия взаимодействия и спокойного функционирования этой сложной структуры. В это период, введение стволовых клеток незначительно, т.к. их численность в окружающих имплантат структурах вполне самодостаточно. Другую негативную тенденцию можно наблюдать, когда стволовые клетки применяют с имплантатами (или вводят самостоятельно, например, после инфаркта миокарда) в период, когда формируется фиброзная капсула (стадия фиброза).

Они не только не участвуют в регенераторных процессах, но и благодаря своим мультипотентным свойствам, вместно необходимой костной, хрящевой или мышечной тканей, начинают превращаться в фиброзные клетки и увеличивать массу рубцовой ткани. Оказалось, что МСК препятсвуют развитию сердечной недостаточности только в том случае, если они используются в в период активации его микроокружения. Это, как уже говорилось, может осуществляться, если их трансплантируют в сердечную ткань в так назывемый "светлый" период, когда процессы воспаления, вызванные ОИМ уже закончиваются, а разрастание фиброзной ткани (рубца) еще не началось. Позднее, МСК малоэффективны и даже могут усилить рост рубцовой ткани в связи со своей способности к мультипотентности. Эти данные хорошо согласуются с результатами экспериментальных исследований, а также первых клинических испытаний рамках программ BOSOT, REPAIRE-AMI, опубликованных в отчетах на съездах и конференциях Американского общества кардиологов, съездах отечественных кардиохирургах в 2004-2009 г. (Rubart, Field, 2006; Hsieh et al., 2007). Однако, микроокружение миокарда можно искусственно активировать путем точечных радиочастотных повреждения и образования зон микроинфарктов.

Если в этот период времени ввести МСК, то они включатся в процессы регенерации и стабилизируют процессы кардиосклероза и кардиофиброза. Сердечная недостаточность при этом не будет прогрессировать (Шахов и др., 2008, 2009). Таким образом, можно сделать следующее заключение. Трансплантация СК для лечения поврежденных тканей в результате некроза, цирроза, инсульта и травмы должны осуществляться с учетом единых патогенетических механизмов. Иными словами, для того, чтобы имплантаты совместно со стволовыми клетками взаимоусиливали свое действие их надо использовать как интелекутальные биоматериалы или биоинженерные конструкции. Анализируя данные литературы и результататы своих многолетних исследований биоматериалы и имплантаты для нужд травматологии, оротпедии и стоматологии можно разделить на нескольких классов:

1. Индифферентные (остеонейтральные) [сталь, кобальт-хром молибденовые сплавы],
2. Биоинертные [оксидированные формы Ti, Zn, Ta];
3. Биоактивные: - биодеградируемые или биорезорбируемые [аморфный ГА, ? трикальций фосфат] ; - остеоинтегративные [аморфные КФ]; - остеокондуктивные [кристаллический ГА]; - остеоиндуктивные [пористый ГА]; - комбинированные ( сочетание ОК и ОИ или ОК и остеоинтеграции и т.п.) [композит из трикальций фосфата + пористого ГА].
4. Трехмерные, объемные (скаффолд) (многослойные композиты).
5. Интеллектуальные. Биоматериалы способны не только к выполнению механической (опорной, каркасной, эластичной, упругой и т.п.), электрохимической (антиоксидантная, оксилительновосстановительные функции, поддержание определенного ионного состава, рН, измерение сопротивления, вольтамперных характеристик и др.), биологической (остеоинтеграция, остеоиндукция, остеокондукция, транспорт цитокинов, ростовых факторов, молекул адгезии и др.), но и интеллектуальной функций. Как отмечает Okano Т. (2001) и другие исследователи интеллектуальные биоматериалы на основе полимеров, могут стать основной для разработки новых биомедицинских систем, а также носителей лекарств, которые имеют механизм обратной связи и высвобождают его из себя препарат, например, инсулин, в зависимости от уровня сахара или инсулина в крови (Thomson, 2001; Okano, 2001; Maeda et al., 2003; Rohrbangh 2004).
Интеллектуальные материалы нельзя отождествлять с информационными системами, т.к. живой организм и даже любая клетка представляет собой сложную, многоуровневую систему, в которой слаженно работают все ее структуры. Они должны обладать не только способностью к восприятию информации, передачи ее в аналитический комплекс, который проводит анализ данных, но и выработку адекватной тактики и стратегии для дальнейших действий и их реализации в виде обратного афферентного ответа.

Простейшим примером такой системы может быть кардиостимулятор используемый для лечения больных с нарушениями ритма сердца. С обще теоретических позиций медицинского материаловедения дальнейшее развитие таких аппаратов, может стать биологический кардиостимулятор, структурно-фунциональный комплекс искусственно созданный из стволовых клеток и пейсмейкерных элементов, который вживляется в сердечную ткань вместо естественного водителя ритма (аналог синусового узла). Такая система не нуждается в источнике питания, находится непосредственно в миокарде и работать может в течении всей жизни без замены.

Продолжение следует Источник  www.viperson.ru

Возврат к списку новостей

* Оставляйте ваши комментарии и отзывы в этом поле.

Ваше имя: 
Введите защитный код:


Введите защитный код определения человека (что на картинке) обязательно! :