Децеллюляризация - Decellularization

Принцип тканевая инженерия

Децеллюляризация (также пишется децеллюляризация в британском английском) - это процесс, используемый в биомедицинской инженерии для выделения внеклеточный матрикс (ECM) из ткань из своих жилых клеток, оставив ECM строительные леса оригинальной ткани, которую можно использовать в искусственный орган и регенерация тканей. Орган а трансплантация тканей лечит множество медицинских проблем, от недостаточности конечного органа до косметической хирургии. Одно из самых серьезных ограничений трансплантации органов связано с отторжением органов, вызванным: антитела реципиента трансплантата реагирует на донор антигены на поверхности клеток внутри донорского органа.[1] Из-за неблагоприятного невосприимчивый ответные реакции, пациенты после трансплантации всю жизнь страдают, принимая иммунодепрессанты. Стивен Ф. Бадилак был пионером процесса децеллюляризации в Институте регенеративной медицины МакГоуэна при Университете Питтсбурга.[2] Этот процесс создает естественный биоматериал действовать как каркас для роста клеток, дифференциация и развитие тканей. Рецеллюляризация каркаса ECM собственными клетками пациента устраняет неблагоприятный иммунный ответ. В настоящее время коммерчески доступные каркасы ECM доступны для самых разных тканевая инженерия. Было обнаружено, что использование перуксусной кислоты для децеллюляризации каркасов ЕСМ является ложным и только дезинфицирует ткань.

Благодаря широкому спектру доступных процедур, вызывающих децеллюляризацию, комбинации физических, химический, и ферментативная обработка тщательно контролируется, чтобы гарантировать, что каркас ECM поддерживает структурную и химическую целостность исходной ткани.[2] Ученые могут использовать приобретенный каркас ВКМ для воспроизведения функционального органа путем введения клетки-предшественники, или же взрослые стволовые клетки (ASC) и позволяя им дифференцироваться внутри каркаса и развиваться в желаемую ткань. Полученный орган или ткань можно трансплантировать пациенту. В отличие от антител на клеточной поверхности, биохимический Компоненты ЕСМ сохраняются между хозяевами, поэтому риск враждебного иммунного ответа сводится к минимуму.[3][4] Правильная консервация волокон ЕСМ, факторов роста и других белков необходима для дифференциации клеток-предшественников в соответствующие взрослые клетки. Успех децеллюляризации зависит от компонентов и плотности применяемой ткани и ее происхождения.[5] Приложения к децеллюляризирующему методу получения биоматериал каркас для регенерации тканей присутствует в сердечный, кожный, легочный, почечный, и другие типы тканей. Полная реконструкция органа все еще находится на ранних стадиях развития.[6]

Обзор процесса

Исследователи могут взять ткань у донора или труп, лизировать и убивают клетки внутри ткани, не повреждая внеклеточные компоненты, и заканчивают продуктом, который является естественным каркасом ECM, который имеет те же физические и биохимические функции, что и естественная ткань.[2] После получения каркаса ECM ученые могут рецеллюляризовать ткань с помощью мощный стебель или клетки-предшественники, которые будут дифференцироваться в исходный тип ткани. При удалении клеток из донорской ткани удаляются иммуногенные антитела донора. Клетки-предшественники могут быть взяты у хозяина, поэтому они не будут оказывать неблагоприятного воздействия на ткань. Этот процесс децеллюляризации тканей и органов все еще разрабатывается, но точный процесс взятия ткани у донора и удаления всех клеточных компонентов считается процессом децеллюляризации. Шаги от децеллюляризованного каркаса ВКМ к функциональному органу находятся под эгидой рецеллюляризации. Из-за разнообразия применения тканей в организме человека методы децеллюляризации должны быть адаптированы к конкретной ткани, на которой проводятся упражнения. Изученные методы децеллюляризации включают физическую, химическую и ферментативную обработку. Хотя некоторые методы используются чаще, точная комбинация процедур варьируется в зависимости от происхождения ткани и того, для чего она нужна.[5]

Что касается введения различных жидких химикатов и ферменты к органу или ткани, перфузия и методы иммерсионной децеллюляризации. Перфузионная децеллюляризация применима, когда в органе или ткани присутствует обширная сосудистая система. Для каркаса ECM крайне важно быть децеллюляризованным на всех уровнях и равномерно по всей структуре.[7][8] Из-за этого требования васкуляризированные ткани могут иметь химические вещества и ферменты, перфузируемые через существующие артерии, вены и капилляры. В соответствии с этим механизмом и соответствующими физиологическими условиями лечение может одинаково распространяться на все клетки внутри органа. В конце процедуры лечение может быть удалено через вены. Децеллюляризация сердца и легких часто использует этот процесс децеллюляризации для введения методов лечения из-за их сильно васкуляризованной сети. Иммерсионная децеллюляризация осуществляется путем погружения ткани в химическую и ферментативную обработку. Этот процесс выполнить легче, чем перфузия, но ограничивается тонкими тканями с ограниченной сосудистой системой.

Физические процедуры

Наиболее распространенные физические методы, используемые для лизиса, уничтожения и удаления клеток из матрикса ткани с использованием 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 дальнейшему воздействию жидких химикатов, которые разлагают и вымывают нежелательные компоненты. Температурные методы сохраняют физическую структуру каркаса ECM, но лучше всего работают с толстыми прочными тканями.

Прямая сила давления на ткань гарантирует нарушение структуры ECM, поэтому обычно используется давление. Децеллюляризация под давлением предполагает контролируемое использование гидростатическое давление наносится на ткань или орган. Лучше всего это делать при высоких температурах, чтобы избежать неконтролируемого образования кристаллов льда, которые могут повредить каркас. Электрическое разрушение плазматической мембраны - еще один вариант лизирования клеток, находящихся в ткани или органе. Воздействуя на ткань электрическими импульсами, на плазматической мембране образуются микропоры. Клетки в конечном итоге превращаются в смерть после того, как их гомеостатический электрический баланс нарушается из-за приложенного стимула. Этот электрический процесс задокументирован как нетепловой необратимый. электропорация (NTIRE) и ограничивается небольшими тканями и ограниченными возможностями индукции электрического тока in vivo.[2]

Химическая обработка

Подходящая комбинация химических веществ выбирается для децеллюляризации в зависимости от толщины, состава внеклеточного матрикса и предполагаемого использования ткани или органа. Например, ферменты не будут использоваться в коллагеновой ткани, потому что они разрушают волокна соединительной ткани. Однако когда коллаген не присутствует в высокой концентрации или не требуется в ткани, ферменты могут быть жизнеспособным вариантом для децеллюляризации. Химические вещества, используемые для уничтожения и удаления клеток, включают кислоты, щелочные средства, ионный моющие средства, неионные моющие средства и цвиттерионный моющие средства.

Ионное моющее средство, додецилсульфат натрия (SDS), обычно используется из-за его высокой эффективности для лизирования клеток без значительного повреждения ECM.[10][11][12] Детергенты действуют эффективно, лизируя клеточную мембрану и подвергая ее содержимое дальнейшей деградации. После того, как SDS лизирует клеточную мембрану, эндонуклеазы и экзонуклеазы ухудшают генетическое содержимое, в то время как другие компоненты клетки растворяются и вымываются из матрицы. SDS обычно используется, даже если он имеет тенденцию слегка нарушать структуру ECM. Щелочные и кислотные средства могут быть эффективным дополнением к лечению SDS из-за их способности разлагаться. нуклеиновые кислоты и солюбилизировать цитоплазматические включения.[5]

Наиболее известным неионным моющим средством является Тритон Х-100, который популярен из-за его способности нарушать взаимодействие между липидами и между липиды и белки. Тритон Х-100 не нарушает белок-белковые взаимодействия, что полезно для сохранения целостности ECM. EDTA представляет собой хелатирующий агент, связывающий кальций, который является необходимым компонентом белков для взаимодействия друг с другом. Делая кальций недоступным, EDTA предотвращает связывание интегральных белков между клетками друг с другом. ЭДТА часто используется с трипсином, ферментом, который действует как протеаза для расщепления уже существующих связей между интегральными белками соседних клеток в ткани. Вместе комбинация ЭДТА-трипсин составляет хорошую команду для децеллюляризации тканей.

Ферментативные методы лечения

Ферменты, используемые в процедурах децеллюляризации, используются для разрыва связей и взаимодействий между нуклеиновыми кислотами, взаимодействующими клетками через соседние белки и другие клеточные компоненты. Липазы, термолизин, галактозидаза, нуклеазы, и трипсин все были использованы для удаления клеток. После лизирования клетки детергентом, кислотой, физическим давлением и т. Д. Эндонуклеазы и экзонуклеазы могут начать деградацию генетического материала. Эндонуклеазы расщепляют ДНК и РНК в середине последовательностей. Бензоаза, эндонуклеаза, продуцирует множество небольших ядерных фрагментов, которые могут быть далее расщеплены и удалены из каркаса ЕСМ.[13] Экзонуклеазы действуют на концах последовательностей ДНК, расщепляя фосфодиэфирные связи и дополнительно разрушая последовательности нуклеиновых кислот.

Ферменты, такие как трипсин, действуют как протеазы, которые расщепляют взаимодействия между белками. Хотя трипсин может оказывать неблагоприятное воздействие на коллагеновые и эластиновые волокна внеклеточного матрикса, его использование с учетом 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 диспас наиболее эффективен на поверхности тонкой ткани, такой как легкое, при регенерации легочной ткани. Чтобы успешно удалить глубокие клетки ткани с помощью диспаза, в процесс часто включается механическое перемешивание.

Коллагеназа используется только тогда, когда продукт каркаса ECM не требует неповрежденной структуры коллагена. Липазы обычно используются, когда требуются трансплантаты децеллюляризованной кожи. Кислоты липазы действуют в децеллюляризующих дермальных тканях посредством делипидации и расщепления взаимодействий между сильно липидизированными клетками. Фермент α-галактозидаза является подходящим лечением при удалении антигена эпитопа Gal с поверхности клеток.[5]

Приложения

Дальнейшая информация: Биоискусственное сердце
Децеллюляризованный матрикс из опухолевых мезенхимальных стволовых клеток человека способствует неоваскуляризации pone.0021888.s001

Натуральный каркас ECM обеспечивает необходимую физическую и биохимическую среду для облегчения роста и специализации мощных клеток-предшественников и стволовых клеток. Выделены бесклеточные матрицы. in vitro и in vivo в ряде различных тканей и органов.[6] Наибольший успех децеллюляризованных тканей дает симметричные ткани, которые имеют меньшую специализацию, такие как костные и дермальные трансплантаты; однако исследования и успехи на уровне органов продолжаются.

Бесклеточные дермальные матрицы успешно применяются во многих различных областях. Например, кожные трансплантаты используются в косметической хирургии и лечении ожогов. Децеллюляризованный кожный трансплантат обеспечивает механическую поддержку поврежденной области, одновременно поддерживая развитие соединительной ткани хозяина. Сердечная ткань имеет клинический успех в разработке человеческих клапанов из естественных матриц ECM.[14] Методика, известная как процедура Росс, использует бесклеточный клапан сердца для замены дефектного клапана, позволяя естественным клеткам повторно заселять вновь функционирующий клапан. Децеллюляризованный аллотрансплантаты имеют решающее значение для костных трансплантатов, которые используются при реконструкции костей и замене деформированных костей у пациентов.

Ограничения тканевой инженерии миокарда возникают из-за способности немедленно перфузировать, засеять и внедрить сердце в пациента. Хотя подмости ECM поддерживают белок и факторы роста Что касается естественной ткани, то специализация на молекулярном уровне еще не использовалась исследователями, использующими децеллюляризованные сердечные каркасы. Лучшие результаты в использовании всего органа с помощью методов децеллюляризации были обнаружены при исследовании легких. Ученым удалось регенерировать целые легкие in vitro из легких крысы с помощью перфузии-децеллюляризации. Заполняя матрицу плод клетки легких крысы, было получено функционирующее легкое. В in vitro-произведенное легкое было успешно внедрено в крысу, что свидетельствует о возможности трансляции in vitro произвел орган в пациента.

Другой успех децеллюляризации был обнаружен в подслизистой оболочке тонкого кишечника (SIS), почек, печени,[15] и панкреатическая инженерия.[16] Поскольку это тонкий материал, матрица SIS может быть децеллюляризована путем погружения ткани в химическую и ферментативную обработку. Инженерия почечной ткани все еще находится в стадии разработки, но матриксы трупной почки способны поддерживать развитие мощных почечных клеток плода. Панкреатическая инженерия - это свидетельство молекулярной специфичности органов. Ученые еще не смогли создать полностью функционирующую поджелудочная железа, но им удалось создать орган, который функционирует в определенных сегментах. Например, было показано, что диабет у крыс уменьшается за счет посева матрикса поджелудочной железы в определенных местах.[6] Будущие применения децеллюляризованного тканевого матрикса все еще открываются и считаются одной из самых многообещающих областей регенеративных исследований.

Смотрите также

Рекомендации

  1. ^ Колако, М., и Атала, А. (2014). Будущее трансплантологии и хирургии. Междисциплинарная медицина.
  2. ^ а б c d Гилберт, Томас У .; Селларо, Тиффани Л .; Бадилак, Стивен Ф. (14 февраля 2006 г.). «Децеллюляризация тканей и органов». Биоматериалы. 27 (19): 3675–3683. Дои:10.1016 / j.biomaterials.2006.02.014. PMID  16519932.
  3. ^ Exposito, J.Y .; Д'Алессио, М .; Солурш, М .; Рамирес, Ф. (1992). «Коллаген морского ежа, эволюционно гомогенный про-альфа позвоночных». J Biol Chem. 267 (22): 15559–62. PMID  1639795.
  4. ^ Константину, C (1991). «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. PMID  1709252.
  5. ^ а б c d Крапо, Питер М .; Гилберт, Томас У .; Бадилак, Стивен Ф. (15 января 2011 г.). «Обзор процессов децеллюляризации тканей и всего органа». Биоматериалы. 32 (12): 3233–3243. Дои:10.1016 / j.biomaterials.2011.01.057. ЧВК  3084613. PMID  21296410.
  6. ^ а б c Песня, Джереми Дж .; Отт, Харальд К. (август 2011 г.). «Органная инженерия на основе децеллюляризованных матричных каркасов». Тенденции в молекулярной медицине. 17 (8): 424–432. Дои:10.1016 / j.molmed.2011.03.005. PMID  21514224.
  7. ^ Отт, Х.С. (2008). «Перфузионно-децеллюляризованная матрица: использование платформы природы для создания биоискусственного сердца». Природа Медицина. 14 (2): 213–221. Дои:10,1038 / нм 1684. PMID  18193059.
  8. ^ Гайетт, Жак П.; Гилпин, Сара Э; Charest, Jonathan M; Тапиас, Луис Ф; Рен, Си; Отт, Харальд К. (29 мая 2014 г.). «Перфузионная децеллюляризация целых органов». Протоколы природы. 9 (6): 1451–1468. Дои:10.1038 / nprot.2014.097. PMID  24874812.
  9. ^ Флинн, Л. (2010). «Использование децеллюляризованной жировой ткани для обеспечения индуктивного микроокружения для адипогенной дифференцировки стволовых клеток, полученных из жировой ткани человека». Биоматериалы. 31 (17): 4715–4724. Дои:10.1016 / j.biomaterials.2010.02.046. PMID  20304481.
  10. ^ Отт, Харальд К .; Matthiesen, Thomas S .; Гох, Сайк-Киа; Блэк, Лорен Д .; Крен, Стефан М .; Netoff, Theoden I .; Тейлор, Дорис А. (февраль 2008 г.). «Перфузионно-децеллюляризованная матрица: использование платформы природы для создания биоискусственного сердца». Природа Медицина. 14 (2): 213–221. Дои:10,1038 / нм 1684. ISSN  1546–170X. PMID  18193059.
  11. ^ Guyette, Jacques P .; Гилпин, Сара Э .; Charest, Джонатан М .; Тапиас, Луис Ф .; Рен, Си; Отт, Харальд К. (2014). «Перфузионная децеллюляризация целых органов». Протоколы природы. 9 (6): 1451–1468. Дои:10.1038 / nprot.2014.097. ISSN  1750-2799. PMID  24874812.
  12. ^ Гилпин, Сара Элизабет; Guyette, Jacques P .; Гонсалес, Габриэль; Рен, Си; Асара, Джон М .; Mathisen, Douglas J .; Vacanti, Joseph P .; Отт, Харальд К. (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. ISSN  1557-3117. PMID  24365767.
  13. ^ Petersen, T.H .; Calle, E.A .; Zhao, L .; Lee, E.J .; Gui, L .; Раредон, М. (2010). «Легкие с тканевой инженерией для имплантации in vivo». Наука. 329 (5991): 538–541. Bibcode:2010Sci ... 329..538P. Дои:10.1126 / science.1189345. ЧВК  3640463. PMID  20576850.
  14. ^ Циммерманн, W.H. (2004). «Инженерные трансплантаты сердечной ткани улучшают систолическую и диастолическую функцию сердца крыс с инфарктом». Природа Медицина. 12 (4): 452–458. Дои:10,1038 / нм 1394. PMID  16582915.
  15. ^ Мацца, Джузеппе; Ромбоутс, Криста; Ренни Холл, Эндрю; Урбани, Лука; Винь Луонг, Ту; Аль-Аккад, Валид; Лонгато, Лиза; Браун, Дэвид; Магсудлоу, Панайотис; Dhillon, Amar P .; Фуллер, Барри; Дэвидсон, Брайан; Мур, Кевин; Дхар, Дипок; Де Коппи, Паоло; Малаго, Массимо; Пинзани, Массимо (7 августа 2015 г.). «Децеллюляризованная печень человека как естественный 3D-каркас для биоинженерии и трансплантации печени». Научные отчеты. 5: 13079. Bibcode:2015НатСР ... 513079М. Дои:10.1038 / srep13079. ЧВК  4528226. PMID  26248878.
  16. ^ Гох, Сайк-Киа; Бертера, Сюзанна; Олсен, Филипп; Candiello, Joseph E .; Халфтер, Вилли; Уэчи, Гай; Баласубрамани, Манималха; Johnson, Scott A .; Сикари, Брайан М .; Коллар, Элизабет; Бадилак, Стивен Ф .; Банерджи, Ипсита (сентябрь 2013 г.). «Перфузионно-децеллюляризованная поджелудочная железа как естественный трехмерный каркас для ткани поджелудочной железы и инженерии всего органа». Биоматериалы. 34 (28): 6760–6772. Дои:10.1016 / j.biomaterials.2013.05.066. ЧВК  3748589. PMID  23787110.