Rola polimerów w inżynierii tkankowej

Rozwój inżynierii materiałowej w ostatnich kilkudziesięciu latach ma olbrzymi wpływ na niemal wszystkie dziedziny nauki. Dokonania na polu inżynierii materiałowej pomagają udoskonalić materiały związane nie tylko z szeroko rozumianym przemysłem, ale również i te, które wymagają bardziej specyficznych i precyzyjnie dobranych właściwości m.in. w zastosowaniach medycznych.

Dyscypliną naukową, która za pomocą alternatywnych rozwiązań w istotny sposób zmienia sposób podejścia do leczenia przy pomocy przeszczepów oraz uzupełnień ubytków narządów lub tkanek jest inżynieria tkankowa (ang. Tissue Engineering, TE), stając się tym samym motorem napędowym rozwoju medycyny regeneracyjnej.

Jednym z głównych celów inżynierii tkankowej jest otrzymanie materiału biologicznego, umożliwiającego zastąpienie lub przywrócenie podstawowych funkcji uszkodzonych tkanek. Zastosowanie inżynierii tkankowej umożliwia rozwiązywanie problemów związanych z przeszczepami organów dotyczących np. niewystarczającej liczby dawców czy stosowania leków immunosupresyjnych, nie wymaga ona również stosowania sztucznych protez, które charakteryzują się niską biozgodnością.

Do głównych osiągnięć inżynierii tkankowej należą z pewnością rusztowania komórkowe - skafoldy (ang. scaffolds - rusztowania), których kluczowym zadaniem jest fizyczne stworzenie podłoża dla komórek i regulacja procesu proliferacji oraz różnicowania. Rusztowania na potrzeby inżynierii tkankowej muszą być zaprojektowane w taki sposób, aby zasiedlone na nich komórki miały możliwość tworzenia trójwymiarowych struktur tkankowych.

Skafoldy są mikroporowatymi strukturami charakteryzującymi się trójwymiarową budową przestrzenną. Za ich podstawowy parametr przyjmuje się porowatość. Wielkość i ilość porów ma ogromny wpływ na przenikanie komórek do wnętrza implantu, co w konsekwencji wpływa korzystnie na regenerację uszkodzonej tkanki.

Zadaniem rusztowań komórkowych, oprócz utrzymania komórek w przestrzeni, jest zapewnienie warunków możliwie jak najbardziej podobnych do tych które naturalnie występują w organizmie.

Sukcesy inżynierii tkankowej nie byłyby możliwe bez nowych biomateriałów, które w znaczący sposób przyspieszają regenerację uszkodzonych tkanek. W terminologii medycznej biomateriał został zdefiniowany jako każda substancja inna niż lek, albo kombinacja substancji naturalnych lub syntetycznych (w tym polimery i metale), która może być użyta w dowolnym okresie, a której zadaniem jest uzupełnienie lub zastąpienie tkanek, narządu, albo jego części lub spełnienie ich funkcji.

Materiały stosowane do wytwarzania rusztowań komórkowych

W zależności od docelowej tkanki stosuje się różne materiały budujące rusztowanie. W przypadku tkanek twardych np. tkanki kostnej, materiałami tymi mogą być metale, szkło oraz ceramika, które są stosowane ze względu dobrą wytrzymałość mechaniczną.

W przypadku tkanek miękkich np. chrzęstnej czy mięśniowej, do wytwarzania rusztowań stosuje się przede wszystkim biomateriały. Jedną z ich ważniejszych cech jest biodegradowalność, czyli zdolność do ulegania rozkładowi w warunkach panujących w ustroju, przy czym niezwykle istotne jest aby szybkość biodegradacji była ściśle dobrana do tworzenia się nowej struktury tkankowej.

Dlatego też w inżynierii tkankowej coraz większe znaczenie zyskują polimery biodegradowalne, zarówno naturalne jak i syntetyczne. Ich użycie bowiem pozwala na sterowanie czasem biodegradacji.

Jest to możliwe dzięki temu, że polimery zbudowane są z powtarzających się kolejno po sobie jednostek (merów). W zależności od liczby powtórzeń, otrzymuje się polimer o określonej długości łańcucha (ciężarze cząsteczkowym). Wraz ze wzrostem tej długości, rośnie także czas degradacji. Sterując zatem ciężarem cząsteczkowym można otrzymać rusztowanie o określonych właściwościach.

Polimery naturalne

Naturalnymi polimerami stosowanymi w inżynierii tkankowej są przede wszystkim związki cukrowe oraz białkowe. Do najpopularniejszych zalicza się przede wszystkim chitozan, celulozę, kolagen i elastynę.

Chitozan jest polisacharydem pozyskiwanym z chityny, stanowiącej główny składnik pancerzyków skorupiaków. Występuje również w ścianach komórkowych grzybów strzępkowych z klasy Zygomycetes, czyli krótko mówiąc „pleśni”. Chitozan jest biodegradowalny, łatwo rozkłada się na substancje pierwsze, z czym wiąże się nietoksyczność, bioaktywność i doskonała sorpcyjność. Wykorzystuje się go jako składnik opatrunków przyspieszających gojenie się ran.

Kolagen jest naturalnie występującym w organizmie biopolimerem. Jest głównym białkiem tkanki łącznej, odpowiedzialnym za nadawanie tkance odpowiedniej wytrzymałości i odporności mechanicznej. Występuje też w dużej ilości w skórze, nadając jej elastyczność. Efektem ubytku kolagenu wraz z wiekiem jest powstawanie zmarszczek. Wykazuje znacznie mniejsze zróżnicowanie międzygatunkowe niż inne białka zwierzęce, cechując się ponadto stosunkowo niewielką immunogennością, dlatego też znajduje szerokie zastosowanie w medycynie. Może być także skomponowany z innymi naturalnymi polimerami (np. chitozanem), tworząc w ten sposób kompozytowe hydrożelowe rusztowanie komórkowe.

Podobnie jak kolagen, elastyna jest białkiem naturalnie występującym w organizmach jako element tkanki łącznej. Jest głównym składnikiem ścięgien, więzadeł, tkanki płucnej oraz ścian większych naczyń krwionośnych. Nadaje ona tkankom elastyczność dzięki czemu nie ulegają one odkształceniom, a po ściśnięciu odzyskują swój pierwotny kształt i wielkość. Biomateriały na bazie elastyny są szeroko stosowane w inżynierii tkankowej. Wykorzystuje się je m.in. w przeszczepach naczyniowych, zastawkach serca lub do produkcji sztucznej skóry. Jednak jej właściwości mechaniczne oraz szybkość degradacji są niedostateczne, więc stosuje się ją jako kompozyt z polimerami syntetycznymi.

Keratyny to grupa białek stanowiących podstawowy budulec cytoszkieletu komórek oraz zewnętrznej okrywy ciała ptaków, gadów i ssaków. Są łatwo dostępne, biodegradowalne, biokompatybilne, wykazują zdolność do samoorganizacji oraz sprzyjają adhezji i proliferacji komórek. Stwierdzono, że różne typy keratyn mogą zawierać w sekwencji aminokwasowej peptydy adhezyjne. Obecność tych sekwencji umożliwia interakcje pomiędzy komórką a powierzchnią biomateriału oraz uruchamia ścieżki sygnałowe zapoczątkowujące regenerację tkanek.

Keratyna może być pozyskiwana z włosów, wełny czy kopyt lub rogów. Biomateriały na bazie keratyny wyizolowanej z włosów ludzkich lub wełny, a w zależności od formy znalazły zastosowanie m.in.: jako opatrunki, środki hemostatyczne, a także są stosowane w regeneracji nerwów obwodowych i kości. Znalazły także zastosowanie w hodowlach komórkowych, w regeneracji mięśnia sercowego, rogówki czy jako nośniki leków.

Polimery syntetyczne

Z uwagi na lepszą, w porównaniu do polimerów naturalnych, odporność mechaniczną oraz trwałość polimery syntetyczne są powszechnie wykorzystywane do wytwarzania rusztowań. Do najczęściej stosowanych zalicza się poliglikolid, polilaktydy, kopolimery glikolidu z laktydami.

Poliglikolid (PGA) jest polimerem pochodzącym ze źródeł odnawialnych, substrat do otrzymywania PGA (kwas glikolowy) może być pozyskiwany np. z trzciny cukrowej.

Jako polimer bioresorbowalny jest wykorzystywany w chirurgii do wyrobu śrub chirurgicznych, płytek, siatek i folii opatrunkowych. Czas degradacji wszczepów dobiera się tak, aby po zrośnięciu się uszkodzonej tkanki spajający ją mechanicznie implant uległ całkowitej resorpcji. Kwas glikolowy stosuje się także do produkcji rusztowań komórkowych czy nici chirurgicznych, których dużą zaletą całkowita resorpcja w czasie 4-6 miesięcy.

Poprzez dobór odpowiednich stężeń monomerów GA i LA uzyskuje się kopolimer kwasu polimlekowego oraz kwasu glikolowego (PLGA). W zależności od stosunku tych dwóch związków użytych do polimeryzacji otrzymuje się polimer o odpowiednich właściwościach. Zaletą PLGA jest łatwość sterowania czasem degradacji w zależności od jego składu.

Polilaktyd (PLA) jest alifatycznym poliestrem pozyskiwanym ze źródeł odnawialnych (kukurydza, trzcina cukrowa). PLA jest bardzo dobrze biokompatybilnym polimerem a jego produkty degradacji są usuwane z ciała pacjenta na normalnej drodze metabolicznej.

Polikaprolakton (PCL) jest biodegradowalnym poliestrem pozyskiwanym z surowców petrochemicznych. Czas degradacji polikaprolaktonu wynosi nawet ponad 2 lata. Z tej przyczyny jest stosowany jako długoterminowy implant lub jako kompozyt z innymi polimerami, zarówno naturalnymi jak i syntetycznymi.

Podsumowanie

Powszechnie przyjmuje się, iż inżynieria tkankowa jest przyszłością medycyny regeneracyjnej oraz atrakcyjną i skuteczną alternatywą wobec takich metod jak transplantacje czy protezy, znosząc niektóre ograniczenia wynikające z ich stosowania, jak np. ryzyko odrzucenia przeszczepu czy brak integracji z naturalną tkanką.

Niezwykle ważną rolę odgrywa również rozwój polimerów biodegradowalnych. Ich niezaprzeczalną zaletą jest rozkład w organizmie do nietoksycznych i łatwo wydalanych produktów, dzięki czemu nie ma potrzeby usuwania implantów z organizmu pacjenta, co w istotny sposób wpływa na komfort jego terapii. Spodziewać się zatem należy, iż projektowanie i wytwarzanie nowych materiałów polimerowych przeznaczonych do zastosowań biomedycznych stanowić będzie nadal bardzo popularny kierunek badań.

Jacek Leszczyński
na podst.
Biomedyczne zastosowanie wybranych materiałów polimerowych. Ewa Kłodzińska, Marek Konop
Zastosowanie bioresorbowalnych rusztowań w inżynierii tkankowej. Aleksandra Kruk, Agnieszka Gadomska-Gajadhur, Paweł Ruśkowski. Nowoczesne trendy w medycynie 2015, 91-102.
Inżynieria tkankowa - nowe narzędzie w rekonstrukcji tkanek. Maria Grolik. Zeszyty Naukowe Towarzystwa Doktorantów UJ, Nauki Ścisłe, Nr 3 (2/2011), 33-4
Ma P.X., Scaffolds for tissue fabrication, “Materials Today”, May 2004

Zdjęcie: Freepik