Toʻqimalar muhandisligi

Soʻnggi oʻn yillikda toʻqimalar muhandisligi sohasida hujayralarning yangi manbalari, muhandislik materiallari va toʻqima arxitekturasi usullari paydo boʻldi. Ular biologik toʻqimalarni yanada yaxshi tiklaydigan, saqlaydigan, takomillashtiradigan yoki almashtiradigan muhandislik toʻqimalarini yaratish imkonini berdi.

Toʻqimalar muhandisligi — biotibbiy muhandislikning bir sohasi boʻlib, u turli xil biologik toʻqimalarni tiklash, saqlash, takomillashtirish yoki almashtirish uchun hujayralar, muhandislik va materialshunoslik usullari hamda mos biokimyoviy va fizik-kimyoviy omillar birikmasidan foydalanadi. Toʻqimalar muhandisligi koʻpincha tibbiy maqsadda yangi hayotchan toʻqima hosil qilish uchun toʻqima karkaslariga joylangan hujayralardan foydalanishni oʻz ichiga oladi, biroq u faqat hujayra va toʻqima karkaslari qoʻllanadigan sohalar bilan chegaralanmaydi. Bir vaqtlar bu yoʻnalish biomateriallarning kichik boʻlimi sifatida tasniflangan edi; qamrovi va ahamiyati ortgach, uni mustaqil soha deb hisoblash mumkin boʻldi. Fayl:What is Tissue Engineering-.webm Toʻqimalar muhandisligining aksariyat taʼriflari keng koʻlamli qoʻllanishlarni qamrab olsa-da, amalda bu atama toʻqimalarning bir qismini yoki butunini taʼmirlash yoxud almashtirish bilan chambarchas bogʻlangan. Bunga organlar, suyak, togʻay, qon tomirlari, siydik pufagi, teri, mushak va boshqalar kiradi. Koʻp hollarda bu toʻqimalar toʻgʻri ishlashi uchun muayyan mexanik va tuzilmaviy xossalarga ega boʻlishi talab etiladi. Atama sunʼiy yaratilgan tayanch tizim ichida hujayralardan foydalanib muayyan biokimyoviy vazifalarni bajarishga qaratilgan urinishlarga nisbatan ham qoʻllanadi — masalan, sunʼiy meʼda osti bezi yoki biosunʼiy jigar. Regenerativ tibbiyot atamasi koʻpincha toʻqimalar muhandisligi bilan sinonim sifatida ishlatiladi, biroq regenerativ tibbiyot bilan shugʻullanuvchilar toʻqima ishlab chiqarishda ildiz hujayralari yoki progenitor hujayralardan foydalanishga koʻproq urgʻu beradi.

Umumiy maʼlumot

Turli kislorod bosimida oʻstirilgan va alsian koʻki bilan boʻyalgan C3H-10T1/2 hujayralarining mikromassa kulturalari

Langer va Vakanti bergan, keng qoʻllanadigan taʼrifga koʻra, toʻqimalar muhandisligi — „muhandislik va hayot haqidagi fanlar tamoyillarini toʻqima yoki butun bir organ vazifasini tiklaydigan, saqlaydigan yoxud takomillashtiradigan biologik oʻrinbosarlar yaratishga tatbiq etuvchi fanlararo soha“. Bundan tashqari, Langer va Vakanti toʻqimalar muhandisligining uchta asosiy turi borligini taʼkidlaydi: hujayralar; toʻqima hosil boʻlishini qoʻzgʻatuvchi moddalar; hujayralar va matritsa yondashuvi (koʻpincha karkas deb ataladi). Toʻqimalar muhandisligiga „toʻqima oʻsishi tamoyillarini tushunish va buni klinik maqsadda ishlatiladigan funksional oʻrinbosar toʻqima yaratishga tatbiq etish“ degan taʼrif ham berilgan. Yana bir tavsifga koʻra, „toʻqimalar muhandisligining asosidagi faraz shundan iboratki, tizimning tabiiy biologiyasidan foydalanish toʻqima vazifasini almashtirish, taʼmirlash, saqlash yoki kuchaytirishga qaratilgan terapevtik strategiyalarni ishlab chiqishda kattaroq muvaffaqiyatga olib keladi“.

Toʻqimalar muhandisligining koʻp tarmoqli sohasidagi yutuqlar toʻqima oʻrnini bosuvchi qismlar va ularni tatbiq etish strategiyalarining yangi majmuasini yaratdi. Biomateriallar, ildiz hujayralari, oʻsish va differensiatsiya omillari hamda biomimetik muhitlar sohasidagi ilmiy yutuqlar tufayli laboratoriyada muhandislik yoʻli bilan yaratilgan hujayradan tashqari matritsalar („karkaslar“), hujayralar va biologik faol molekulalar birikmasidan mavjud toʻqimalarni yaratish yoki takomillashtirishning noyob imkoniyatlari paydo boʻldi. Hozirda toʻqimalar muhandisligi oldida turgan asosiy muammolar orasida transplantatsiya uchun moʻljallangan, laboratoriyada oʻstirilgan toʻqimalarda murakkabroq funksionallik, biomexanik barqarorlik va vaskulyarizatsiyaga boʻlgan ehtiyoj bor.

Etimologiya

Atamaning tarixiy kelib chiqishi noaniq, chunki soʻzning taʼrifi soʻnggi oʻn yilliklar davomida oʻzgarib bordi. Atama birinchi marta 1984-yilgi nashrda uchragan: unda uzoq vaqt implantatsiya qilingan sunʼiy oftalmologik protez yuzasida endoteliyga oʻxshash membrananing shakllanishi tasvirlangan edi.

Atamaning bugungi kunda tan olingan zamonaviy maʼnodagi ilk qoʻllanishi 1985-yilda Muhandislik tadqiqotlari markazining tadqiqotchisi, fiziologi va bioinjeneri Yuan-Cheng Fungga tegishli. U ikki atamani — toʻqima (hujayralar bilan organlar oʻrtasidagi asosiy bogʻliqlikka ishora sifatida) va muhandislik (mazkur toʻqimalarni oʻzgartirish sohasiga ishora sifatida) birlashtirishni taklif qildi. Atama 1987-yilda rasman qabul qilindi.

Tarixi

^{[manba kerak]}

Qadimgi davr (17-asrgacha)

Inson toʻqimalarining ichki ishlash mexanizmlari haqidagi tushuncha koʻpchilik kutganidan ham qadimroqqa borib taqalishi mumkin. Allaqachon neolit davrida yaralarni yopish va bitishiga koʻmaklashish uchun choklar qoʻllangan. Keyinchalik Qadimgi Misr kabi jamiyatlar yaralarni tikish uchun zigʻir choklari singari yaxshiroq materiallarni ishlab chiqdi. Miloddan avvalgi 2500-yillar atrofida Qadimgi Hindistonda dumbadan teri kesib olib, uni quloq, burun yoki lablardagi yara joylariga tikish yoʻli bilan teri koʻchirib oʻtkazish usullari yaratildi. Qadimgi misrliklar koʻpincha murdadan olingan terini tirik odamlarga koʻchirib oʻtkazgan, hatto asalni bir turdagi antibiotik sifatida, moyni esa infeksiyaning oldini oluvchi himoya toʻsigʻi sifatida ishlatishga urinishgan. Milodiy 1—2-asrlarda gallo-rimliklar temirdan yasalgan implantlarni ishlab chiqdi; tish implantlarini esa qadimgi mayyalarda uchratish mumkin edi.

Maʼrifat davri (17—19-asrlar)

Bu qadimgi jamiyatlar oʻz davridan ancha ilgarilab ketgan usullarni yaratgan boʻlsa-da, tana bu muolajalarga qanday javob qaytarayotgani haqidagi mexanistik tushunchaga hamon ega emas edi. Bunday mexanistik yondashuv Rene Dekart asos solgan empirik ilmiy usulning rivoji bilan birga keldi. Ser Isaak Nyuton tanani „fizik-kimyoviy mashina“ deb taʼriflay boshladi va kasallikni shu mashinaning ishdan chiqishi deb faraz qildi.

17-asrda Robert Guk hujayrani kashf etdi, Benedikt de Spinozaning maktubi esa tanadagi dinamik jarayonlar oʻrtasidagi gomeostaz gʻoyasini ilgari surdi. 18-asrda Abraam Trambley oʻtkazgan gidra tajribalari hujayralarning regeneratsiya qobiliyatini oʻrganishga kirishdi. 19-asr davomida turli metallarning tana bilan qanday taʼsirlashuvi yaxshiroq oʻrganilgach, sifatliroq choklar yaratildi va suyakni mahkamlashda vint hamda plastinkali implantlarga oʻtish yuz berdi. Bundan tashqari, 1800-yillar oʻrtalarida ilk bor hujayra bilan muhit oʻrtasidagi taʼsirlashuv va hujayra proliferatsiyasi toʻqima regeneratsiyasi uchun hal qiluvchi ahamiyatga ega degan farazlar ilgari surildi.

Zamonaviy davr (20—21-asrlar)

Vaqt oʻtishi va texnologiya rivoji bilan tadqiqotchilarning oʻz izlanishlaridagi yondashuvini oʻzgartirishga doimiy ehtiyoj tugʻiladi. Toʻqimalar muhandisligi asrlar davomida rivojlanishda davom etdi. Dastlab odamlar namunalarni bevosita inson yoki hayvon murdalaridan olib, koʻzdan kechirib, ishlatishgan. Endilikda toʻqima muhandislari tanadagi koʻplab toʻqimalarni qaytadan yarata oladi. Buning uchun ular mikrofabrikatsiya va uch oʻlchamli bioprint kabi zamonaviy usullarni oʻz toʻqimasi hujayralari yoki ildiz hujayralari bilan birgalikda qoʻllaydi. Bu yutuqlar tadqiqotchilarga yangi toʻqimalarni ancha samarali tarzda hosil qilish imkonini berdi. Masalan, mazkur usullar koʻproq shaxsiylashtirishga yoʻl ochadi, bu esa biomoslikni yaxshilaydi, immun javobni kamaytiradi, hujayra integratsiyasi va uzoq umr koʻrishni taʼminlaydi. Shubhasiz, bu usullar rivojlanishda davom etadi — soʻnggi oʻn yillikda mikrofabrikatsiya va bioprint qanday rivojlanganini kuzatib kelmoqdamiz.

1960-yilda Vixterle va Lim biotibbiy maqsadlarda gidrogellarni qoʻllash boʻyicha tajribalarni birinchi boʻlib eʼlon qildi: ular gidrogellardan kontakt linzalar yasashda foydalandi. Keyingi yigirma yil davomida soha sekin rivojlandi, biroq gidrogellar dori yetkazib berish uchun qayta moslashtirilgach, u ancha jonlandi. 1984-yilda Charlz Hall Hewlett-Packard purkagichli printerini hujayralarni ikki oʻlchamda joylashtira oladigan qurilmaga aylantirib, bioprintga asos soldi. Uch oʻlchamli (3D) bosib chiqarish — additiv ishlab chiqarishning bir turi; u yuqori aniqligi va samaradorligi tufayli tibbiy muhandislikda turli sohalarda qoʻllanadigan boʻldi. Biolog Jeyms Tompson 1998-yilda ilk inson ildiz hujayrasi liniyalarini yaratdi, 1999-yilda laboratoriyada oʻstirilgan ilk ichki organlar koʻchirib oʻtkazildi, 2003-yilda esa Missuri universiteti karkassiz sferoidlarni bosib chiqarib, ilk bioprinterni yaratdi. Shundan soʻng 3D bioprint tibbiyotda avvalgidan ham keng qoʻllana boshladi. Hozirgacha olimlar mini-organoidlar va chipdagi organlarni bosib chiqara oldi; bular inson tanasi vazifalari haqida amaliy tasavvur berdi. Farmatsevtika kompaniyalari bu modellardan hayvonlarda sinovga oʻtishdan avval dorilarni tekshirish uchun foydalanmoqda. Biroq toʻliq ishlaydigan va tuzilishi jihatidan oʻxshash organ hali bosib chiqarilgani yoʻq. Yuta universiteti jamoasi quloqlarni bosib chiqarib, ularni quloqlari toʻliq rivojlanmagan holda tugʻilgan bolalarga muvaffaqiyatli koʻchirib oʻtkazgani xabar qilingan.

Bugungi kunda gidrogellar 3D bioprint uchun eng maʼqul bio-siyoh hisoblanadi, chunki ular hujayralarning tabiiy hujayradan tashqari matritsasiga taqlid qiladi va ayni paytda 3D tuzilmalarni ushlab tura oladigan kuchli mexanik xossalarga ega. Bundan tashqari, gidrogellar 3D bioprint bilan birgalikda tadqiqotchilarga turli karkaslar ishlab chiqarish imkonini beradi; bu karkaslardan yangi toʻqima yoki organlar hosil qilishda foydalanish mumkin. 3D bosib chiqarilgan toʻqimalar hamon koʻplab muammolarga duch keladi, masalan, qon tomir tarmogʻini qoʻshish. Shu bilan birga, toʻqimalarning ayrim qismlarini 3D bosib chiqarish inson tanasi haqidagi tasavvurimizni albatta yaxshilaydi va shu tariqa ham fundamental, ham klinik tadqiqotlarni tezlashtiradi.

Gidrogellar orasida Festigel — termoqaytar gellanuvchi polimerlar guruhiga mansub karkaslar bor. Ular haqida siydik chiqarish kanali torayishida in vitro toʻqimalar muhandisligi va in vivo yara bitishidagi samaradorligi, shuningdek, periodontal regeneratsiyadagi samarasi xabar qilingan; bundan tashqari, ular toʻqima va hujayralarni tashishda ham istiqbolga ega.

Namunalar

Karkas yordamida inson qulogʻini regeneratsiya qilish

Langer va Vakanti bergan taʼrifga koʻra, toʻqimalar muhandisligi namunalari uch toifadan biri yoki bir nechtasiga kiradi: „faqat hujayralar“, „hujayralar va karkas“ yoxud „toʻqima hosil boʻlishini qoʻzgʻatuvchi omillar“.

• In vitro goʻsht: in vitro oʻstirilgan, isteʼmol qilsa boʻladigan sunʼiy hayvon mushak toʻqimasi.^{[manba kerak]}
• Biosunʼiy jigar qurilmasi, „Vaqtinchalik jigar“, Tanadan tashqari jigarga koʻmak qurilmasi (ELAD): kovak tolali bioreaktordagi inson gepatotsitlari hujayra liniyasi (C3A liniyasi) jigar yetishmovchiligining oʻtkir hollarida jigar vazifasiga taqlid qila oladi. Toʻliq ishlaydigan ELAD odamning jigari vazifasini vaqtincha bajaradi va shu yoʻl bilan transplantatsiyadan qochib, uning oʻz jigari regeneratsiyasiga imkon beradi.^{[manba kerak]}
• Sunʼiy meʼda osti bezi: tadqiqotlar tananing qondagi shakar miqdorini, ayniqsa qandli diabetda, tartibga solish uchun orolcha hujayralaridan foydalanishni oʻz ichiga oladi. Biokimyoviy omillar yordamida inson pluripotent ildiz hujayralarini insulin ishlab chiqarish uchun javobgar boʻlgan, orolcha hujayrasi tarkibidagi beta-hujayralarga oʻxshash ishlaydigan hujayralarga differensiatsiya qildirish (aylantirish) mumkin.^{[manba kerak]}
• Sunʼiy siydik pufagi: Entoni Atala (Ueyk-Forest universiteti) oʻstirilgan hujayralar siydik pufagi shaklidagi karkasga joylangan sunʼiy siydik pufaklarini uzoq muddatli tajriba doirasida taxminan 20 nafar inson sinov ishtirokchisidan yettitasiga muvaffaqiyatli implantatsiya qildi.
• Togʻay: karkas ustida in vitro oʻstirilgan laboratoriya togʻayi bemorlarning tizzalarini taʼmirlash uchun avtolog transplantat sifatida muvaffaqiyatli qoʻllandi.
• Karkassiz togʻay: tashqi karkas materialisiz hosil qilingan togʻay. Bu uslubda konstruksiyadagi barcha material hujayra tabiatiga ega boʻlib, bevosita hujayralar tomonidan ishlab chiqariladi.
• Biosunʼiy yurak: Doris Teylor laboratoriyasi hujayralari olib tashlangan kalamush yuragini qayta hujayralantirish yoʻli bilan biomos kalamush yuragini yaratdi. Bu karkas va hujayralar bioreaktorga joylandi; u yerda ular yetilib, qisman yoki toʻliq koʻchirib oʻtkazsa boʻladigan organga aylandi. Bu ish „muhim bosqich“ deb baholandi. Laboratoriya avval kalamush yuragidan hujayralarni ajratib oldi (bu jarayon „detsellyularizatsiya“ deb ataladi), soʻngra hujayralari olib tashlangan kalamush yuragiga kalamush ildiz hujayralarini yubordi.
• Toʻqimalar muhandisligi yoʻli bilan yaratilgan qon tomirlari: laboratoriyada oʻstirilgan va shikastlangan qon tomirlarini immun javob chaqirmasdan taʼmirlash uchun ishlatsa boʻladigan qon tomirlar. Toʻqimalar muhandisligi qon tomirlari koʻplab turli yondashuvlar bilan ishlab chiqilgan. Ularni oldindan hujayra ekilgan hujayrali qon tomirlar sifatida, hujayralari olib tashlangan tomirlardan yasalgan hujayrasiz tomir transplantatlari yoxud sunʼiy tomir transplantatlari sifatida implantatsiya qilish mumkin.
• Gidrogelga joylangan inson teri hujayralaridan yasaladigan sunʼiy teri — masalan, jang maydonidagi kuyishlarni taʼmirlash uchun bioprint qilingan konstruksiyalar.
• Sunʼiy suyak koʻmigi: koʻchirib oʻtkazish uchun in vitro oʻstirilgan suyak koʻmigi toʻqimalar muhandisligidagi „faqat hujayralar“ yondashuviga misol boʻladi.
• Toʻqimalar muhandisligi yoʻli bilan yaratilgan suyak: tuzilmaviy matritsa titan kabi metallardan, parchalanish tezligi turlicha boʻlgan polimerlardan yoki keramikaning ayrim turlaridan tashkil topishi mumkin. Materiallar koʻpincha suyakni qayta shakllantirish va biologik vazifani tiklashga koʻmaklashuvchi osteoblastlarni jalb qilish uchun tanlanadi. Jarayonni tezlashtirish maqsadida matritsaga bevosita turli xil hujayralar qoʻshilishi mumkin.
• Laboratoriyada oʻstirilgan olat: quyon olatining hujayralari olib tashlangan karkaslari silliq mushak va endoteliy hujayralari bilan qayta hujayralantirildi. Soʻngra organ tirik quyonlarga koʻchirib oʻtkazildi va oʻz organiga qiyoslanadigan darajada ishladi; bu esa jinsiy aʼzo shikastlanishini davolashdagi salohiyatidan darak beradi.
• Ogʻiz shilliq pardasi toʻqimalar muhandisligi ogʻiz shilliq pardasining uch oʻlchamli tuzilishi va vazifasini takrorlash uchun hujayralar va karkas yondashuvidan foydalanadi.^{[manba kerak]}

Hujayralar — qurilish gʻishtlari

Kulturadagi boʻyalgan hujayralar

Hujayralar — toʻqimalar muhandisligi yondashuvlari muvaffaqiyatining asosiy tarkibiy qismlaridan biri. Toʻqimalar muhandisligi hujayralardan yangi toʻqima yaratish yoki almashtirish strategiyasi sifatida foydalanadi. Bunga misollar: terini taʼmirlash yoki yangilash uchun ishlatiladigan fibroblastlar; togʻayni taʼmirlash uchun ishlatiladigan xondrotsitlar (MACI — FDA tomonidan tasdiqlangan mahsulot); jigarga koʻmak tizimlarida ishlatiladigan gepatotsitlar.

Hujayralarni toʻqimalar muhandisligida yolgʻiz oʻzini yoki tayanch matritsalar bilan birga ishlatish mumkin. Hujayra oʻsishi, differensiatsiyasi va mavjud toʻqima bilan integratsiyasiga koʻmaklashuvchi munosib muhit hujayra asosidagi qurilish gʻishtlari uchun hal qiluvchi omil hisoblanadi. Bu hujayra jarayonlarining istalganini boshqarish yangi toʻqima yaratishning muqobil yoʻllarini ochadi (masalan, hujayrani qayta dasturlash — somatik hujayralar, vaskulyarizatsiya).^{[manba kerak]}

Ajratib olish

Hujayrani ajratib olish usullari hujayra manbasiga bogʻliq. Sentrifugalash va aferez biosuyuqliklardan (masalan, qondan) hujayra ajratib olishda qoʻllanadi. Toʻqima yoki organlardan hujayra ajratib olishda esa sentrifugalash yoki aferezdan avval hazm qilish jarayonlari talab etiladi; bunda odatda hujayradan tashqari matritsani olib tashlash uchun fermentlar ishlatiladi. Tripsin va kollagenaza — toʻqimani hazm qilishda eng koʻp qoʻllanadigan fermentlar. Tripsin haroratga bogʻliq boʻlsa, kollagenaza harorat oʻzgarishiga kamroq sezgir.^{[manba kerak]}

Hujayra manbalari

Sichqonning embrional ildiz hujayralari

Birlamchi hujayralar — bevosita xoʻjayin toʻqimasidan ajratib olingan hujayralar. Ular hujayra xatti-harakatining genetik, epigenetik yoki rivojlanish oʻzgarishlarisiz ex vivo modelini beradi; shu bois boshqa usullar bilan olingan hujayralarga qaraganda in vivo sharoitlarni yaqinroq takrorlaydi. Biroq ayni shu cheklov ularni oʻrganishni qiyinlashtirishi ham mumkin. Bular yetuk, koʻpincha oxirigacha differensiatsiyalangan hujayralar; yaʼni koʻplab hujayra turlari uchun proliferatsiya qiyin yoki imkonsiz. Bundan tashqari, bu hujayralar yashaydigan mikromuhitlar juda ixtisoslashgan boʻlib, bunday sharoitlarni takrorlash koʻpincha mushkul.

Ikkilamchi hujayralar. Birlamchi kulturadagi hujayralarning bir qismi oʻstirishni davom ettirish uchun yangi idishga koʻchiriladi. Birlamchi kulturadan muhit olib tashlanadi, koʻchirilishi kerak boʻlgan hujayralar olinadi va yangi idishda yangi oʻsish muhitida oʻstiriladi. Ikkilamchi hujayra kulturasi hujayralar oʻsishi uchun zarur joy va ozuqa moddalarga ega boʻlishini taʼminlashda foydali. Ikkilamchi kulturalar, ayniqsa, birlamchi kulturadagidan koʻproq miqdorda hujayra kerak boʻlgan har qanday holatda ishlatiladi. Ikkilamchi hujayralar birlamchi hujayralarning cheklovlarini (yuqoriga qarang) baham koʻradi, biroq yangi idishga koʻchirishda ifloslanish xavfi ham qoʻshiladi.^{[manba kerak]}

Hujayralarning genetik tasnifi

Avtolog: hujayra donori va retsipiyenti — bitta shaxs. Hujayralar olinadi, oʻstiriladi yoki saqlanadi, soʻng xoʻjayinga qaytariladi. Xoʻjayinning oʻz hujayralari qaytarilgani sababli antigen javob yuzaga kelmaydi. Tananing immun tizimi bu qayta implantatsiya qilingan hujayralarni oʻziniki deb taniydi va ularga hujum qilmaydi. Avtolog hujayralarning xoʻjayin hujayralari salomatligiga bogʻliqligi hamda donor joyidagi asoratlar ulardan foydalanishga toʻsqinlik qilishi mumkin. Yogʻ toʻqimasidan va suyak koʻmigidan olinadigan mezenximal ildiz hujayralari odatda avtolog tabiatga ega. Ulardan juda koʻp usulda foydalanish mumkin: skelet toʻqimasini taʼmirlashga koʻmaklashishdan tortib, diabetli bemorlarda beta-hujayralarni toʻldirishgacha.

Allogen: hujayralar retsipiyent bilan bir turga mansub donor tanasidan olinadi. In vitro tadqiqotlarda inson hujayralaridan foydalanishga baʼzi axloqiy cheklovlar boʻlsa-da (masalan, inson miya toʻqimasi ximerasini yaratish), inson sunnat terisidan olingan dermal fibroblastlarni qoʻllash immunologik jihatdan xavfsiz, demak, teri allogen toʻqimalar muhandisligi uchun maqbul tanlov ekanini koʻrsatadi.

Ksenogen: bu hujayralar retsipiyentdan boshqa turdan ajratib olinadi. Ksenogen toʻqimadan foydalanishning yorqin misoli — hayvon hujayralari yordamida yurak-qon tomir implantlarini yaratish. Inson-hayvon ximeralarini yetishtirish esa hayvonlarga inson organlarini implantatsiya qilish natijasida ularda ong kuchayishi ehtimoli boʻyicha axloqiy tashvish tugʻdiradi.

Singen yoki izogen: bu hujayralar bir xil genetik koddan kelib chiqqan hujayralarni bildiradi. Bu avtolog hujayra liniyalariga oʻxshash immunologik afzallik beradi (yuqoriga qarang). Avtolog hujayralarni singen deb hisoblash mumkin, biroq bu tasnif avtolog boʻlmagan hujayralarga ham taalluqli: masalan, bir tuxumli egizakdan olingan, genetik jihatdan bir xil (klonlangan) tadqiqot modellaridan olingan yoxud donorga aloqador induksiyalangan ildiz hujayralari (iSC).

Ildiz hujayralari

^{[manba kerak]} Ildiz hujayralari — kulturada boʻlinib, ixtisoslashgan hujayralarning turli shakllarini hosil qila oladigan differensiatsiyalanmagan hujayralar. Ildiz hujayralari manbasiga koʻra „voyaga yetgan“ va „embrional“ ildiz hujayralariga boʻlinadi. Embrional ildiz hujayralaridan foydalanish boʻyicha hamon katta axloqiy bahs davom etayotgan boʻlsa-da, yana bir muqobil manba — induksiyalangan pluripotent ildiz hujayralari kasallangan yoki shikastlangan toʻqimalarni taʼmirlashda foydali boʻlishi yoxud yangi organlar oʻstirishda ishlatilishi mumkin deb hisoblanadi.

Totipotent hujayralar — keyingi ildiz hujayralariga boʻlina oladigan yoki tanadagi istalgan hujayra turiga, jumladan, embriondan tashqari toʻqimaga differensiatsiyalana oladigan ildiz hujayralari.

Pluripotent hujayralar — embriondan tashqari toʻqimadan boshqa, tanadagi istalgan hujayra turiga differensiatsiyalana oladigan ildiz hujayralari. Induksiyalangan pluripotent ildiz hujayralari (iPSC) — voyaga yetgan differensiatsiyalangan hujayralardan olingan va embrional ildiz hujayralariga (ESC) oʻxshash pluripotent ildiz hujayralarining kichik sinfi. iPSC voyaga yetgan hujayralarda transkripsiya omillarining ekspressiyasini embrional ildiz hujayralariga oʻxshab qolgunicha oʻzgartirish yoʻli bilan yaratiladi.

Multipotent ildiz hujayralari bir sinf ichidagi istalgan hujayraga, masalan, qon yoki suyak hujayrasiga differensiatsiyalanishi mumkin. Multipotent hujayralarga keng tarqalgan misol — mezenximal ildiz hujayralari (MSC).

Karkaslar

Karkaslar — tibbiy maqsadlarda yangi funksional toʻqimalar hosil boʻlishiga hissa qoʻshadigan, kerakli hujayra taʼsirlashuvlarini yuzaga keltirish uchun muhandislik yoʻli bilan yaratilgan materiallar. Hujayralar koʻpincha uch oʻlchamli toʻqima hosil boʻlishini qoʻllab-quvvatlay oladigan bu tuzilmalarga „ekiladi“. Karkaslar oʻz toʻqimasining hujayradan tashqari matritsasiga taqlid qiladi, in vivo muhitni qayta yaratadi va hujayralarga oʻz mikromuhitiga taʼsir koʻrsatish imkonini beradi. Ular odatda quyidagi maqsadlardan kamida bittasiga xizmat qiladi: hujayraning yopishishi va migratsiyasiga imkon berish; hujayra va biokimyoviy omillarni yetkazib berish hamda ushlab turish; hujayraning hayotiy ozuqa moddalari va ishlab chiqargan mahsulotlarining diffuziyasini taʼminlash; hujayra fazasi xatti-harakatini oʻzgartirish uchun muayyan mexanik va biologik taʼsir koʻrsatish.^{[manba kerak]}

2009-yilda koʻkrak qafasi jarrohi Torsten Valles boshchiligidagi fanlararo jamoa traxeya rekonstruksiyasini kutayotgan bemorga ilk biosunʼiy transplantatni muvaffaqiyatli implantatsiya qildi; bu transplantat koʻchirib oʻtkazishdan keyin oziqlanishni taʼminlovchi tugʻma qon tomir tarmogʻiga ega edi.

3D bosib chiqarilgan gidrogel karkas

3D bosib chiqarilgan gidrogel karkas: yon koʻrinishi

Toʻqimani qayta tiklash maqsadiga erishish uchun karkaslar baʼzi aniq talablarga javob berishi kerak. Yuqori gʻovaklik va munosib teshik oʻlchami hujayra ekishni hamda hujayralar va ozuqa moddalarining butun tuzilma boʻylab diffuziyasini osonlashtirish uchun zarur.

Liofillangan gidrogel karkasning SEM tasviri

Biologik parchalanuvchanlik koʻpincha muhim omil hisoblanadi, chunki karkaslar jarrohlik yoʻli bilan olib tashlanmasdan, atrofdagi toʻqimalar tomonidan soʻrilishi maʼqul. Parchalanish tezligi toʻqima hosil boʻlish tezligiga imkon qadar mos kelishi kerak: yaʼni hujayralar oʻz atrofida tabiiy matritsa tuzilmasini yaratayotganda karkas tana ichida tuzilmaviy yaxlitlikni taʼminlab turadi, oxir-oqibat esa parchalanib, mexanik yukni oʻz zimmasiga oladigan yangi hosil boʻlgan toʻqimani qoldiradi. Inʼektsiya qilsa boʻlishi ham klinik qoʻllash uchun muhim. Organ bosib chiqarish boʻyicha soʻnggi tadqiqotlar tajribalarning takrorlanuvchanligini taʼminlash va yaxshiroq natijalarga erishishda 3D muhitni yaxshi nazorat qilish naqadar hal qiluvchi ekanini koʻrsatmoqda.

Materiallar

Material tanlash — karkas ishlab chiqarishning muhim jihati. Ishlatiladigan materiallar tabiiy yoki sunʼiy, biologik parchalanuvchi yoki parchalanmaydigan boʻlishi mumkin. Bundan tashqari, ular biomos boʻlishi, yaʼni hujayralarga hech qanday salbiy taʼsir koʻrsatmasligi kerak. Masalan, silikon — dori yetkazib berish materiali sifatida keng qoʻllanadigan sunʼiy, biologik parchalanmaydigan material; jelatin esa hujayra kulturasi karkaslarida keng qoʻllanadigan biologik parchalanuvchi tabiiy material.

Har bir qoʻllanish uchun kerakli material turlicha boʻlib, materialning kerakli mexanik xossalariga bogʻliq. Masalan, uzun suyaklar nuqsonlarining toʻqimalar muhandisligi uchun siqilishga chidamliligi kortikal suyaknikiga (100—150 MPa) yaqin boʻlgan qattiq karkas talab etiladi; bu koʻrsatkich teri regeneratsiyasi karkasinikidan ancha yuqori.

Turli xil karkas sohalarida ishlatiladigan bir nechta koʻp qirrali sunʼiy materiallar bor. Ana shunday keng qoʻllanadigan materiallardan biri — polisut kislota (PLA), sunʼiy polimer. PLA — polisut kislota. Bu poliefir boʻlib, inson tanasida parchalanib sut kislota hosil qiladi; sut kislota — tanadan oson chiqariladigan tabiiy kimyoviy modda. Shunga oʻxshash materiallar — poliglikol kislota (PGA) va polikaprolakton (PCL): ularning parchalanish mexanizmi PLA nikiga oʻxshash, biroq PCL sekinroq, PGA esa tezroq parchalanadi.^{[manba kerak]} PLA koʻpincha PGA bilan birlashtirilib, poli-sut-ko-glikol kislota (PLGA) hosil qilinadi. Bu, ayniqsa, foydali, chunki PLGA parchalanishini PLA va PGA ning ogʻirlik ulushini oʻzgartirish orqali sozlash mumkin: PLA koʻproq boʻlsa — parchalanish sekinroq, PGA koʻproq boʻlsa — tezroq. Ana shu sozlanuvchanlik biomoslik bilan birga uni karkas yaratish uchun nihoyatda foydali materialga aylantiradi.

Karkaslarni tabiiy materiallardan ham yasash mumkin: xususan, hujayradan tashqari matritsaning turli hosilalari hujayra oʻsishini qoʻllab-quvvatlash qobiliyati boʻyicha oʻrganilgan. Oqsil asosidagi materiallar — masalan, kollagen yoki fibrin, hamda polisaxaridli materiallar — masalan, xitozan yoki glikozaminoglikanlar (GAG) — hujayra bilan moslik jihatidan mos deb topilgan. GAGlar orasida gialuron kislota, ehtimol, koʻndalang bogʻlovchi agentlar (masalan, glutaraldegid, suvda eriydigan karbodiimid va boshqalar) bilan birgalikda karkas materiali sifatida mumkin boʻlgan tanlovlardan biri. Bu polimerlarga tiol guruhlari kovalent biriktirilgani sababli ular disulfid bogʻ hosil qilish orqali koʻndalang bogʻlanishi mumkin. Tiollangan polimerlarni (tiomerlarni) toʻqimalar muhandisligi uchun karkas materiali sifatida qoʻllash dastlab 2001-yilda Venada oʻtkazilgan 4-Markaziy Yevropa farmatsevtika texnologiyasi simpoziumida taklif qilingan. Tiomerlar biomos boʻlgani, hujayraga taqlid qiluvchi xossalar namoyish etgani hamda turli hujayra turlarining proliferatsiyasi va differensiatsiyasini samarali qoʻllab-quvvatlagani uchun ular toʻqimalar muhandisligida karkas sifatida keng qoʻllanadi. Bundan tashqari, tiollangan gialuron kislota va tiollangan xitozan kabi tiomerlar yara bitishini taʼminlovchi xossalarga ega ekani koʻrsatilgan hamda ular koʻplab klinik sinovlar mavzusi hisoblanadi. Shuningdek, hujayradan tashqari matritsa oqsilining boʻlagini, masalan, RGD peptidini, hujayraning yopishishiga koʻmaklashish uchun biologik faol boʻlmagan materialga biriktirish mumkin. Karkasning yana bir shakli — hujayralari olib tashlangan toʻqima. Bu jarayonda kimyoviy moddalar yordamida toʻqimalardan hujayralar ajratib olinadi va faqat hujayradan tashqari matritsa qoladi. Buning afzalligi shundaki, kerakli toʻqima turiga xos, toʻliq shakllangan matritsa olinadi. Biroq hujayralari olib tashlangan karkas keyinchalik kiritiladigan hujayralar bilan immun muammolar tugʻdirishi mumkin.^{[manba kerak]}

Sintezi

^{[manba kerak]}

Toʻqimalar muhandisligi yoʻli bilan yaratilgan qon tomir transplantati

Tasvir yaratishda xatolik:

Toʻqimalar muhandisligi yoʻli bilan yaratilgan yurak klapani

Adabiyotlarda toʻqimalar muhandisligi karkasi sifatida ishlatiladigan gʻovak tuzilmalarni tayyorlashning bir qancha turli usullari tasvirlangan. Bu usullarning har biri oʻz afzalliklariga ega, biroq birortasi kamchiliksiz emas.

Nanotolalarning oʻz-oʻzidan yigʻilishi

Molekulyar oʻz-oʻzidan yigʻilish — miqyosi va kimyosi jihatidan tabiiy in vivo hujayradan tashqari matritsaga oʻxshash xossali biomateriallar yaratishning kam sonli usullaridan biri; bu murakkab toʻqimalar muhandisligi sari hal qiluvchi qadam. Bundan tashqari, bu gidrogel karkaslar anʼanaviy makrokarkaslar va hayvondan olingan materiallarga qaraganda in vivo toksikologiya hamda biomoslik boʻyicha ustunlik koʻrsatgan.

Toʻqimachilik texnologiyalari

Bu usullar turli polimerlarning toʻqilmagan toʻrlarini tayyorlashda muvaffaqiyatli qoʻllangan barcha yondashuvlarni oʻz ichiga oladi. Xususan, toʻqilmagan poliglikolid tuzilmalari toʻqimalar muhandisligida sinovdan oʻtkazilgan: bunday tolali tuzilmalar turli xil hujayralarni oʻstirishda foydali deb topilgan. Asosiy kamchiliklar yuqori gʻovaklik va bir tekis teshik oʻlchamiga erishishdagi qiyinchiliklar bilan bogʻliq.

Erituvchida quyish va zarrachalarni yuvib chiqarish

Erituvchida quyish va zarrachalarni yuvib chiqarish (SCPL) gʻovakligi bir tekis, biroq qalinligi cheklangan tuzilmalar tayyorlash imkonini beradi. Avval polimer mos organik erituvchida eritiladi (masalan, polisut kislotani dixlormetanda eritish mumkin), soʻngra eritma porogen zarrachalari bilan toʻldirilgan qolipga quyiladi. Bunday porogen natriy xlorid kabi anorganik tuz, saxaroza kristallari, jelatin sharchalari yoki parafin sharchalari boʻlishi mumkin. Porogen zarrachalarining oʻlchami karkas teshiklarining oʻlchamiga taʼsir qiladi; polimerning porogenga nisbati esa yakuniy tuzilmaning gʻovaklik miqdori bilan bevosita bogʻliq. Polimer eritmasi quyilgach, erituvchi toʻliq bugʻlanishiga imkon beriladi, soʻngra qolipdagi kompozit tuzilma porogenni eritishga yaroqli suyuqlik hammomiga botiriladi: natriy xlorid, saxaroza va jelatin uchun suv, parafin uchun esa geksan kabi alifatik erituvchi. Porogen toʻliq erigach, gʻovak tuzilma hosil boʻladi. SCPL ning erishsa boʻladigan qalinlik oraligʻi torligidan tashqari yana bir kamchiligi — organik erituvchilardan foydalanishi; karkasga ekilgan hujayralarga zarar yetkazmaslik uchun ularni toʻliq olib tashlash kerak.

Gaz bilan koʻpiklantirish

Organik erituvchilar va qattiq porogenlardan foydalanish zaruratini bartaraf etish uchun porogen sifatida gazdan foydalanadigan usul ishlab chiqilgan. Avval kerakli polimerdan qizdirilgan qolipda siqib qoliplash yoʻli bilan disk shaklidagi tuzilmalar tayyorlanadi. Soʻngra disklar kameraga joylanadi va u yerda bir necha kun davomida yuqori bosimli CO₂ taʼsiriga uchraydi. Kamera ichidagi bosim asta-sekin atmosfera darajasiga qaytariladi. Bu muolaja davomida polimerni tark etayotgan karbonat angidrid molekulalari teshiklar hosil qiladi va natijada gʻovakka oʻxshash tuzilma yuzaga keladi. Bunday usulning asosiy muammolari siqib qoliplash paytidagi ortiqcha issiqlik (bu polimer matritsasiga haroratga chidamsiz materiallarni qoʻshishga toʻsqinlik qiladi) hamda teshiklarning oʻzaro bogʻlangan tuzilma hosil qilmasligidan kelib chiqadi.

Emulsiyalash va muzlatib quritish

Bu usul SCPL kabi qattiq porogendan foydalanishni talab qilmaydi. Avval sunʼiy polimer mos erituvchida eritiladi (masalan, polisut kislota dixlormetanda), soʻngra polimer eritmasiga suv qoʻshiladi va ikki suyuqlik emulsiya olish uchun aralashtiriladi. Ikki faza ajralib ulgurmasidan emulsiya qolipga quyiladi va suyuq azotga botirish yoʻli bilan tez muzlatiladi. Muzlatilgan emulsiya keyin dispers suv va erituvchini olib tashlash uchun muzlatib quritiladi; natijada qotgan, gʻovak polimer tuzilma qoladi. Emulsiyalash va muzlatib quritish SCPL ga qaraganda tezroq tayyorlash imkonini bersa-da (chunki koʻp vaqt oladigan yuvib chiqarish bosqichini talab qilmaydi), u hamon erituvchilardan foydalanishni taqozo etadi. Bundan tashqari, teshik oʻlchami nisbatan kichik, gʻovaklik esa koʻpincha bir tekis emas. Muzlatib quritishning oʻzi ham karkas tayyorlashda keng qoʻllanadigan usul. Xususan, u kollagen gʻovaklarini tayyorlashda ishlatiladi: kollagen sirka kislota yoki xlorid kislotaning kislotali eritmalarida eritiladi, qolipga quyiladi, suyuq azot bilan muzlatiladi va soʻng liofillanadi.

Issiqlik taʼsirida faza ajralishi

Oldingi usulga oʻxshab, TIPS faza ajralish muolajasi erish harorati past va oson sublimatsiyalanadigan erituvchidan foydalanishni talab qiladi. Masalan, polisut kislotani eritish uchun dioksandan foydalanish mumkin; soʻngra oz miqdorda suv qoʻshish yoʻli bilan faza ajralishi qoʻzgʻatiladi: polimerga boy va polimerga kambagʻal fazalar hosil boʻladi. Erituvchining erish haroratidan pastga sovitilgach va erituvchini sublimatsiyalash uchun bir necha kun vakuumda quritilgach, gʻovak karkas olinadi. Suyuqlik-suyuqlik faza ajralishi emulsiyalash va muzlatib quritishdagi kamchiliklarning oʻzini namoyon qiladi.

Elektrospinning

Elektrospinning — diametri bir necha mikrondan bir necha nanometrgacha boʻlgan uzluksiz tolalar ishlab chiqarishda qoʻllanadigan juda koʻp qirrali usul. Odatiy elektrospinning tizimida kerakli karkas materiali erituvchida eritiladi va shprisga joylanadi. Bu eritma igna orqali uzatiladi, ignaning uchiga va oʻtkazuvchi yigʻish yuzasiga yuqori kuchlanish beriladi. Eritma ichida elektrostatik kuchlarning toʻplanishi uni qarama-qarshi zaryadlangan yoki yerga ulangan yigʻish yuzasi tomon ingichka tolali oqim sifatida otilishga majbur qiladi. Bu jarayonda erituvchi bugʻlanadi va juda gʻovak tarmoq hosil qiluvchi qattiq tolalar qoladi. Bu usul yuqori darajada sozlanuvchan: erituvchi, kuchlanish, ishchi masofa (ignadan yigʻish yuzasigacha boʻlgan masofa), eritmaning oqim tezligi, erigan modda konsentratsiyasi va yigʻish yuzasini oʻzgartirish mumkin. Bu esa tola morfologiyasini aniq boshqarishga imkon beradi.

Biroq tijorat darajasida, masshtablash sabablariga koʻra, bir vaqtning oʻzida 40 ta, baʼzan 96 ta igna ishlatiladi. Bunday tizimlardagi torchiliklar quyidagilar: 1) yuqorida sanab oʻtilgan oʻzgaruvchilarni barcha ignalar uchun bir xilda saqlab turish; 2) muhandislar sifatida biz bir tekis diametrga ega boʻlishini istaydigan yakka tolalarda „donachalar“ hosil boʻlishi. Yigʻgichgacha boʻlgan masofa, beriladigan kuchlanish kattaligi yoki eritma oqim tezligi kabi oʻzgaruvchilarni oʻzgartirish orqali tadqiqotchilar karkasning umumiy arxitekturasini keskin oʻzgartira oladi.

Tarixan, elektrospinning bilan olingan tolali karkaslar boʻyicha tadqiqotlar hech boʻlmaganda 1980-yillarning oxiriga borib taqaladi: oʻshanda Saymon elektrospinning yordamida polimer eritmalaridan in vitro hujayra va toʻqima substrati sifatida ishlatish uchun maxsus moʻljallangan nano- va submikron miqyosidagi tolali karkaslar ishlab chiqarish mumkinligini koʻrsatdi. Elektrospinning panjaralarining hujayra kulturasi va toʻqimalar muhandisligidagi bu ilk qoʻllanishi turli hujayra turlari polikarbonat tolalarga yopishishi va ular ustida koʻpayishini koʻrsatdi. Shu narsa qayd etildiki, 2D kulturada odatda kuzatiladigan yassilashgan morfologiyadan farqli oʻlaroq, elektrospinning tolalari ustida oʻstirilgan hujayralar in vivo toʻqimalarga xos boʻlgan, koʻproq dumaloq uch oʻlchamli morfologiyani namoyish etdi.

CAD/CAM texnologiyalari

Yuqoridagi usullarning koʻpchiligi gʻovaklik va teshik oʻlchamini nazorat qilish jihatidan cheklangani sababli, toʻqimalar muhandisligiga kompyuter yordamida loyihalash va ishlab chiqarish usullari kiritildi. Avval CAD dasturi yordamida uch oʻlchamli tuzilma loyihalanadi. Gʻovaklikni dastur ichidagi algoritmlar yordamida sozlash mumkin. Soʻngra karkas polimer kukunlarini purkagichli bosib chiqarish yoki polimer suyuqlanmasini qatlamlab yotqizish (FDM) yoʻli bilan amalga oshiriladi.

El-Ayubi va uning hamkasblarining 2011-yilgi tadqiqoti „ikki xil teshik oʻlchamiga ega (biomos va biologik parchalanuvchi) poli-L-laktid makrogʻovak karkaslar ishlab chiqarish uchun 3D-plotting usulini“ qattiq erkin shakl fabrikatsiyasi (SSF) va kompyuter yordamida loyihalash (CAD) orqali oʻrgandi; maqsad — „anʼanaviy toʻqima taʼmirlashga muqobil“ sifatida terapevtik boʻgʻim togʻayini almashtirishni tadqiq etish edi. Tadqiqot shuni aniqladiki, teshik oʻlchami qanchalik kichik boʻlsa va bioreaktordagi mexanik kuchlanish bilan birgalikda qoʻllansa (in vivo ga oʻxshash sharoit yaratish uchun), tiklanish vaqtini qisqartirish va transplantat samaradorligini oshirish orqali potensial terapevtik funksionallikda hujayra hayotchanligi shunchalik yuqori boʻladi.

Lazer yordamida bioprint

2012-yilgi tadqiqotda Kox va uning hamkasblari lazer yordamida bioprintdan (LaBP) tabiiy matritsada koʻp hujayrali 3D naqshlar qurishda foydalanish mumkinmi va hosil qilingan konstruksiyalar ishlaydimi hamda toʻqima hosil qiladimi degan masalaga eʼtibor qaratdi. LaBP tirik hujayra suspenziyalarining kichik hajmlarini belgilangan yuqori aniqlikdagi naqshlarga joylashtiradi. Tadqiqot muvaffaqiyatli boʻldi; tadqiqotchilar „hosil qilingan toʻqima konstruksiyalari hayvon modellariga implantatsiya qilish yoʻli bilan in vivo sinov uchun ishlatilishi mumkin“ deb bashorat qilmoqda (14). Bu tadqiqot paytida faqat inson teri toʻqimasi sintez qilingan edi; ammo tadqiqotchilar „bosib chiqarilgan hujayra konstruksiyasiga boshqa hujayra turlarini (masalan, melanotsitlar, Shvann hujayralari, soch follikulasi hujayralari) qoʻshish orqali bu hujayralarning oʻz tabiiy muhitiga oʻxshash 3D in vitro mikromuhitdagi xatti-harakatini tahlil qilish mumkin“ deb taxmin qilmoqda; bu esa dori kashfiyoti va toksikologiya tadqiqotlari uchun foydali.

Oʻz-oʻzidan yigʻiladigan rekombinant oʻrgimchak ipagi nanomembranalari

Gustafsson va uning hamkasblari maydoni santimetr oʻlchamli, biroq atigi 250 nm qalinlikdagi erkin turuvchi biologik faol membranalarni namoyish etdi; ular suvli eritma chegarasida oʻrgimchak ipagining oʻz-oʻzidan yigʻilishi natijasida hosil boʻlgan edi. Bu membranalar noyob tarzda nanooʻlchamli qalinlik, biologik parchalanuvchanlik, oʻta yuqori choʻziluvchanlik va mustahkamlik hamda oqsillarni oʻtkazish xossalarini birlashtiradi, shuningdek, hujayraning tez yopishishi va koʻpayishiga koʻmaklashadi. Ular keratinotsitlarning yaxlit qatlamini oʻstirishni koʻrsatdi. Bu oʻrgimchak ipagi nanomembranalaridan qon tomirining statik in vitro modelini yaratishda ham foydalanilgan.

Toʻqimalar muhandisligi in situ

In situ toʻqima regeneratsiyasi biomateriallarni (yolgʻiz oʻzini yoki hujayralar va/yoki biomolekulalar bilan birgalikda) toʻqima nuqsoniga implantatsiya qilish deb taʼriflanadi; bunda organizmning atrofdagi mikromuhitidan tabiiy bioreaktor sifatida foydalaniladi. Bu yondashuv suyak regeneratsiyasida qoʻllanilib, hujayra ekilgan konstruksiyalarni bevosita operatsiya xonasida hosil qilish imkonini bermoqda.

Yigʻish usullari

Toʻqimalar muhandisligidagi doimiy muammolardan biri — massa tashilishining cheklanganligi. Muhandislik yoʻli bilan yaratilgan toʻqimalar odatda dastlabki qon taʼminotiga ega emas; shu bois implantatsiya qilingan hujayralarning omon qolish yoki toʻgʻri ishlash uchun yetarli kislorod va ozuqa moddalar olishi qiyinlashadi.^{[manba kerak]}

Oʻz-oʻzidan yigʻilish

Oʻz-oʻzidan yigʻilish usullari toʻqimalar muhandisligi uchun istiqbolli ekani koʻrsatilgan. Bu usullarning afzalligi shundaki, ular toʻqimalarga oʻz hujayradan tashqari matritsasini rivojlantirish imkonini beradi; natijada oʻz toʻqimasining biokimyoviy va biomexanik xossalarini yaxshiroq takrorlaydigan toʻqima hosil boʻladi. Oʻz-oʻzidan yigʻiladigan muhandislik boʻgʻim togʻayini 2006-yilda Jerri Xu va Kiriakos A. Atanasiu taklif qilgan; bu jarayonning qoʻllanishi natijasida mustahkamligi oʻz toʻqimasinikiga yaqinlashadigan muhandislik togʻayi olingan. Oʻz-oʻzidan yigʻilish — laboratoriyada oʻstirilgan hujayralarni uch oʻlchamli shakllarga yigʻishning yetakchi texnologiyasi. Toʻqimalarni hujayralarga parchalash uchun tadqiqotchilar avval ularni odatda bogʻlab turadigan hujayradan tashqari matritsani eritishi kerak. Hujayralar ajratib olingach, ular tabiiy toʻqimalarimizni tashkil etuvchi murakkab tuzilmalarni hosil qilishi lozim.^{[manba kerak]}

Suyuqlik asosidagi shablon yordamida yigʻish

Faradey toʻlqinlari hosil qiladigan havo-suyuqlik sirti pastdan yuqoriga toʻqimalar muhandisligi uchun biologik obyektlarni yigʻish shabloni sifatida oʻrganilmoqda. Bu suyuqlik asosidagi shablonni bir necha soniyada dinamik ravishda qayta sozlash mumkin; shablon ustidagi yigʻishga esa masshtablanadigan va parallel tarzda erishsa boʻladi. Mikromiqyosdagi gidrogellar, hujayralar, neyron ekilgan mikrotashuvchi sharchalar va hujayra sferoidlarini turli simmetrik hamda davriy tuzilmalarga yigʻish yaxshi hujayra hayotchanligi bilan namoyish etildi. 14 kunlik toʻqima kulturasidan soʻng 3D neyron tarmogʻining hosil boʻlishiga erishildi.

Additiv ishlab chiqarish

Asosiy maqola: 3D bioprint

Additiv ishlab chiqarish usullari yordamida organlarni, ehtimol, hatto butun organizmlarni bosib chiqarish mumkin boʻlishi mumkin. Yaqinda taklif qilingan innovatsion yigʻish usuli termoqaytar gel matritsasida hujayralarning aniq qatlamlarini bosib chiqarish uchun purkagichli mexanizmdan foydalanadi. Qon tomirlarini qoplab turadigan endoteliy hujayralari ustma-ust joylashgan halqalar toʻplami sifatida bosib chiqarildi. Inkubatsiya qilingach, ular birlashib naycha hosil qildi. Bu usul sohada „bioprint“ deb ataladi, chunki u biologik tarkibiy qismlarni eʼtibor markazidagi organga oʻxshash tuzilmada bosib chiqarishni oʻz ichiga oladi.^{[manba kerak]}

Biologik tizimlarning uch oʻlchamli va juda aniq modellari sohasida bir qancha loyiha hamda texnologiyalar yoʻlboshchilik qilmoqda. Ular orasida toʻqimalar, hatto butun organlar yaratishning tezkor usuli bor: bunda 3D printer karkas va hujayralarni qatlamma-qatlam bosib chiqarib, ishlaydigan toʻqima namunasi yoki organ hosil qiladi. Qurilma Ueyk-Forest regenerativ tibbiyot instituti direktori, Ueyk-Forest universiteti urologiya kafedrasi mudiri va W.H. Boyce professori, tibbiyot doktori Entoni Atalaning TED maʼruzasida taqdim etilgan; unda buyrak sahnada bosib chiqarilib, tomoshabinlarga koʻrsatilgan. Bu texnologiya kelajakda transplantatsiya uchun, nazariy jihatdan esa toksikologiya va boshqa biologik tadqiqotlar uchun ham jigar ishlab chiqarish imkonini beradi deb kutilmoqda.^{[manba kerak]}

2015-yilda koʻp fotonli ishlov berish (MPP) sunʼiy togʻay konstruksiyalarini yaratish yoʻli bilan in vivo tajribalarda qoʻllandi. Ex vivo gistologik tekshiruv shuni koʻrsatdiki, muayyan teshik geometriyasi va implantatsiyadan avval xondrotsitlarni (Cho) oldindan oʻstirish yaratilgan 3D karkaslarning ishlashini sezilarli darajada yaxshilaydi. Erishilgan biomoslik tijoratda mavjud kollagen membranalarnikiga tenglashdi. Bu tadqiqotning muvaffaqiyatli natijasi olti burchakli teshik shaklidagi gibrid organik-anorganik mikrotuzilmali karkaslarni Cho ekish bilan birgalikda togʻay toʻqimalar muhandisligida muvaffaqiyatli qoʻllash mumkin degan gʻoyani qoʻllab-quvvatlaydi.

Yaqinda toʻqimalar muhandisligi vaskulyarizatsiyaga eʼtibor qaratgan holda ilgariladi. Ikki fotonli polimerizatsiyaga asoslangan additiv ishlab chiqarish yordamida naysimon gidrogel tuzilmalaridan sunʼiy 3D mikrotomir tarmoqlari yaratilmoqda. Bu tarmoqlar bir necha kub millimetr oʻlchamdagi toʻqimalarni qon bilan taʼminlay oladi va in vitro uzoq muddatli hayotchanlik hamda hujayra oʻsishiga imkon beradi. Bu yangilik toʻqimalar muhandisligida sezilarli oldinga siljish boʻlib, inson toʻqimasining murakkab modellarini ishlab chiqishga koʻmaklashadi.

Karkaslash

2013-yilda turli konfiguratsiyalardagi matrigel 3D karkasidan foydalanib, in vitro sezilarli miqdorda meʼda osti bezi organoidlari ishlab chiqarildi. Kam sonli hujayralardan iborat toʻdalar bir hafta ichida koʻpayib 40 000 hujayraga yetdi. Toʻdalar hazm fermentlari yoki insulin kabi gormonlar ishlab chiqaradigan hujayralarga aylanadi hamda oʻz-oʻzini tashkil qilib, meʼda osti beziga oʻxshash shoxlangan meʼda osti bezi organoidlarini hosil qiladi.

Hujayralar muhitga, masalan, gelning qattiqligi va boshqa hujayralar bilan aloqaga sezgir. Yakka hujayralar rivojlanmaydi; keyingi organoid rivojlanishi uchun kamida toʻrtta yaqin hujayra talab etilgan. Muhit tarkibini oʻzgartirish natijasida asosan meʼda osti bezi progenitorlaridan iborat kovak sharlar yoxud oʻz-oʻzidan meʼda osti bezi morfogenezi va differensiatsiyasidan oʻtadigan murakkab organoidlar olindi. Meʼda osti bezi progenitorlarini saqlash va koʻpaytirish faol Notch hamda FGF signalizatsiyasini talab qiladi; bu in vivo nishadagi signal taʼsirlashuvlarini takrorlaydi.

Organoidlar dori sinovi va zaxira insulin ishlab chiqaruvchi hujayralar uchun mini-organlar taqdim etishi mumkin deb qaraldi.

Matrigel 3D karkaslaridan tashqari boshqa kollagen gel tizimlari ham ishlab chiqilgan. Kollagen/gialuron kislota karkaslari epiteliy va adipotsit hujayralarini birgalikda oʻstirgan holda sut bezini in vitro modellashtirishda qoʻllangan. HyStem toʻplami — hujayradan tashqari matritsa tarkibiy qismlari va gialuron kislotani oʻz ichiga olgan, saraton tadqiqotlarida ishlatilgan yana bir 3D platforma. Bundan tashqari, gidrogel tarkibiy qismlarini koʻndalang bogʻlanishga koʻmaklashish va mexanik xossalarini yaxshilash uchun kimyoviy oʻzgartirish mumkin.^{[manba kerak]}

Toʻqima kulturasi

Koʻp hollarda in vitro funksional toʻqimalar va biologik tuzilmalar yaratish omon qolish, oʻsish hamda funksionallikni qoʻzgʻatish uchun uzoq muddatli oʻstirishni talab qiladi. Umuman olganda, kulturada hujayralarning asosiy ehtiyojlari qondirilishi kerak; bunga kislorod, pH, namlik, harorat, ozuqa moddalar va osmotik bosimni saqlash kiradi.^{[manba kerak]}

Toʻqimalar muhandisligi kulturalari kultura sharoitlarini saqlashda qoʻshimcha muammolar ham tugʻdiradi. Odatiy hujayra kulturasida diffuziya koʻpincha ozuqa moddalar va metabolitlarni tashishning yagona vositasi hisoblanadi. Biroq kultura kattalashib, murakkablashgani sari — masalan, muhandislik organlari va butun toʻqimalarda — kulturani saqlash uchun boshqa mexanizmlarni, masalan, toʻqima ichida kapillyar tarmoqlar yaratishni qoʻllash kerak boʻladi.^{[manba kerak]}

Fayl:Bioreaktor.JPG

Qon tomir transplantatlarini oʻstirish uchun bioreaktor

Toʻqima kulturasidagi yana bir masala — funksionallikni qoʻzgʻatish uchun zarur boʻlgan tegishli omillar yoki stimullarni kiritish. Koʻp hollarda oddiy saqlash kulturasining oʻzi yetarli emas. Baʼzan oʻsish omillari, gormonlar, muayyan metabolitlar yoki ozuqa moddalar, kimyoviy va fizik stimullar talab etiladi. Masalan, ayrim hujayralar oʻzining normal rivojlanishi doirasida kislorod bosimi oʻzgarishiga javob beradi — xondrotsitlar skelet rivojlanishi davomida kislorod kam sharoitga yoki gipoksiyaga moslashishi kerak. Boshqalari, masalan, endoteliy hujayralari, qon tomirlarida uchraydigan suyuqlik oqimining siljish kuchlanishiga javob beradi. Bosim urishlari kabi mexanik stimullar esa yurak klapanlari, qon tomirlar yoki perikard singari har qanday yurak-qon tomir toʻqimasi uchun foydali koʻrinadi.^{[manba kerak]}

Bioreaktorlar

Asosiy maqola: Bioreaktor

Toʻqimalar muhandisligida bioreaktor — in vitro hujayra yoki toʻqima oʻsishiga koʻmaklashish uchun fiziologik muhitni taqlid qilishga urinuvchi qurilma. Fiziologik muhit koʻplab turli parametrlardan iborat boʻlishi mumkin: harorat, bosim, kislorod yoki karbonat angidrid konsentratsiyasi, suyuqlik muhitining osmolyarligi; u har xil biologik, kimyoviy yoki mexanik stimullarni ham qamrab olishi mumkin. Shu bois toʻqimaga elektromagnit kuchlar, mexanik bosim yoki suyuqlik bosimi kabi kuchlarni qoʻllashni oʻz ichiga oladigan tizimlar mavjud. Bu tizimlar ikki yoki uch oʻlchamli boʻlishi mumkin. Bioreaktorlardan ham akademik, ham sanoat sohalarida foydalanish mumkin. Umumiy va maxsus maqsadli bioreaktorlar tijoratda ham mavjud; ular statik kimyoviy stimullashni yoki kimyoviy va mexanik stimullash birikmasini taqdim etishi mumkin.^{[manba kerak]}

Hujayra proliferatsiyasi va differensiatsiyasiga atrofdagi hujayradan tashqari matritsa muhitidagi mexanik va biokimyoviy ishoralar katta taʼsir koʻrsatadi. Bioreaktorlar odatda oʻstirilayotgan toʻqimaning muayyan fiziologik muhitini takrorlash uchun ishlab chiqiladi (masalan, yurak toʻqimasini oʻstirishda egilish va suyuqlik siljishi). Bu ixtisoslashgan hujayra liniyalariga oʻz tabiiy muhitini takrorlaydigan kulturalarda rivojlanish imkonini beradi; ayni paytda bu bioreaktorlarni ildiz hujayralarini oʻstirish uchun jozibador vositaga aylantiradi. Muvaffaqiyatli, ildiz hujayrasiga asoslangan bioreaktor ildiz hujayralarini bir tekis xossalar bilan koʻpaytirishda va/yoki tanlangan yetuk hujayra turlariga nazorat qilinadigan, takrorlanadigan differensiatsiyaga koʻmaklashishda samarali.

3D hujayra kulturalari uchun moʻljallangan turli xil bioreaktorlar bor. Ular orasida hujayralarni uch oʻlchamda oʻstirish maqsadida maxsus ishlab chiqilgan, ichki namligi tartibga solinadigan kichik plastik silindr kameralar hamda shisha kameralar mavjud. Bioreaktor sferoid hujayralarni ozuqa moddalarning yuqori darajasini saqlab turadigan muhit bilan oʻrab olish uchun polietilentereftalat membranalari kabi biologik faol sunʼiy materiallardan foydalanadi. Ularni ochish va yopish oson, shu bois hujayra sferoidlarini sinov uchun olib qoʻyish mumkin; shunga qaramay, kamera 100% namlikni saqlab tura oladi. Bu namlik hujayraning maksimal oʻsishi va ishlashiga erishish uchun muhim. Bioreaktor kamerasi kattaroq qurilmaning bir qismi boʻlib, u uch oʻlchamda har tomonga bir tekis hujayra oʻsishini taʼminlash uchun aylanadi.

Singapurdagi QuinXell Technologies (hozirda Quintech Life Sciences tarkibida) TisXell Biaxial Bioreactor nomli bioreaktorni ishlab chiqdi; u maxsus toʻqimalar muhandisligi uchun moʻljallangan. Bu dunyodagi ilk bioreaktor boʻlib, u ikki oʻqli aylanadigan sferik shisha kameraga ega; bu homilaning bachadondagi aylanishiga aynan taqlid qilish uchun moʻljallangan va toʻqimalar oʻsishi uchun qulay muhit yaratadi.

Mexanik stimullashning bir necha shakli bitta bioreaktorda birlashtirilgan ham. Gen ekspressiyasi tahlilidan foydalanib, bir akademik tadqiqot shuni aniqladiki, bioreaktorda pre-osteoblast hujayralariga siklik choʻzilish va ultratovush stimullashi birgalikda qoʻllanganda matritsa yetilishi hamda differensiatsiya tezlashadi. Bunday birlashtirilgan stimullash bioreaktori texnologiyasidan kelajakdagi klinik ildiz hujayra terapiyalarida suyak hujayralarini tezroq va samaraliroq oʻstirish uchun foydalanish mumkin.

MC2 Biotek ham ProtoTissue nomli bioreaktorni ishlab chiqdi; u hujayra kamerasi ichida kislorodning yuqori darajasini saqlab turish uchun gaz almashinuvidan foydalanadi. Bu avvalgi bioreaktorlarga nisbatan yaxshilanish hisoblanadi, chunki kislorodning yuqori darajasi hujayraning oʻsishiga va normal nafas olishiga yordam beradi.

Bioreaktorlar boʻyicha faol tadqiqot yoʻnalishlari orasida ishlab chiqarish miqyosini oshirish va fiziologik muhitni takomillashtirish bor; ikkalasi ham bioreaktorlarning tadqiqotdagi yoki klinik qoʻllanishdagi unumdorligi va samaradorligini yaxshilashi mumkin. Hozirda bioreaktorlar, jumladan, hujayra va toʻqima darajasidagi terapiyalarni, hujayra va toʻqimaning muayyan fiziologik muhit oʻzgarishlariga javobini hamda kasallik va shikast rivojlanishini oʻrganishda ishlatilmoqda.^{[manba kerak]}

Uzun tola hosil qilish

2013-yilda Tokio universiteti guruhi uzunligi bir metrgacha va oʻlchami 100 μm chamasidagi hujayra bilan toʻldirilgan tolalarni ishlab chiqdi. Bu tolalar qoʻsh koaksial laminar oqim hosil qiluvchi mikroflyuid qurilma yordamida yaratildi. Mikroflyuid qurilmasining har bir „qatlami“ (hujayradan tashqari matritsaga ekilgan hujayralar, gidrogel gʻilofi va nihoyat kalsiy xlorid eritmasi). Ekilgan hujayralar gidrogel gʻilofi ichida bir necha kun oʻstiriladi, soʻngra gʻilof olib tashlanib, hayotchan hujayra tolalari qoladi. Hujayradan tashqari matritsa oʻzagiga turli xil hujayralar, jumladan, miotsitlar, endoteliy hujayralari, nerv hujayrasi tolalari va epiteliy hujayrasi tolalari kiritildi. Soʻngra bu guruh mazkur tolalarni toʻqimachilikdagi toʻqishga oʻxshash mexanizmda birga toʻqib, toʻqima yoki organ yasash mumkinligini koʻrsatdi. Tolali morfologiyalarning afzalligi shundaki, ular anʼanaviy karkas loyihasiga muqobil boʻladi; qolaversa, koʻplab organlar (masalan, mushak) tolali hujayralardan tashkil topgan.

Biosunʼiy organlar

Asosiy maqola: Sunʼiy organ

Sunʼiy organ — shikastlangan yoki ishdan chiqayotgan organ tizimlarini qoʻllab-quvvatlash uchun tana tashqarisida boʻlishi yoxud implantatsiya qilinishi mumkin boʻlgan muhandislik qurilmasi. Biosunʼiy organlar odatda hayotiy muhim biologik vazifalarni tiklash niyatida yaratiladi — masalan, kasallangan yurak va oʻpkani almashtirishda; yoxud hayot sifatini keskin yaxshilash uchun — masalan, kuygan bemorlarda muhandislik terisini qoʻllashda. Funksional organlar yaratishdagi cheklovlar sababli biosunʼiy organlarning baʼzi namunalari hamon tadqiqot bosqichida boʻlsa-da, boshqalari hozirda klinik sharoitda tajriba tariqasida va tijorat asosida qoʻllanmoqda.

Oʻpka

Tanadan tashqari membranali oksigenatsiya (ECMO) qurilmalari, boshqacha nomi bilan yurak-oʻpka apparatlari — yurak va oʻpkaga koʻmak beruvchi yurak-oʻpka baypasi usullarining moslashtirilgan shakli. U asosan oʻpkani uzoqroq, biroq baribir vaqtinchalik muddat (1—30 kun) davomida qoʻllab-quvvatlash va qaytar kasalliklardan tuzalishga imkon berish uchun ishlatiladi. Robert Bartlett ECMO ning otasi sifatida tanilgan; u 1975-yilda ECMO apparati yordamida chaqaloqni ilk bor davolagan.

Teri

Toʻqimalar muhandisligi terisi — biosunʼiy organning bir turi boʻlib, u koʻpincha kuyishlarni, diabetik oyoq yaralarini yoxud oʻz-oʻzidan yaxshi bitmaydigan boshqa katta yaralarni davolashda ishlatiladi. Sunʼiy teri avtotransplantat, allotransplantat va ksenotransplantatlardan yasalishi mumkin. Avtotransplantat teri bemorning oʻz terisidan olinadi; bu dermaning tezroq bitishiga imkon beradi, donor joyini esa bir necha marta qayta olish mumkin. Allotransplantat teri koʻpincha murda terisidan olinadi va asosan kuygan bemorlarni davolashda ishlatiladi. Nihoyat, ksenotransplantat teri hayvonlardan olinadi va teri uchun vaqtinchalik bitish tuzilmasini taʼminlaydi. Ular derma regeneratsiyasiga koʻmaklashadi, biroq xoʻjayin terisining bir qismiga aylana olmaydi. Toʻqimalar muhandisligi terisi hozirda tijorat mahsulotlari sifatida mavjud. Dastlab faqat kuyishlarni davolash uchun ishlatilgan Integra kollagen matritsasi va xondroitin sulfatdan iborat boʻlib, teri oʻrinbosari sifatida qoʻllanishi mumkin. Xondroitin sulfat proteoglikanlarning tarkibiy qismi sifatida ishlaydi; proteoglikanlar esa hujayradan tashqari matritsani hosil qilishga koʻmaklashadi. Integra oʻzining dermal kollagen arxitekturasini saqlagan holda qayta hujayralanishi va qayta qon tomir bilan taʼminlanishi mumkin; bu uni biosunʼiy organga aylantiradi. Tijoratda ishlab chiqarilgan yana bir toʻqimalar muhandisligi teri mahsuloti — Dermagraft tirik fibroblastlardan yasaladi. Bu fibroblastlar koʻpayadi va granulyatsion toʻqima qurishga yordam beradigan oʻsish omillari, kollagen hamda hujayradan tashqari matritsa oqsillarini ishlab chiqaradi.

Yurak

Yurak transplantatsiyasini kutayotgan bemorlar soni vaqt oʻtishi bilan uzluksiz ortib borayotgani va navbatdagi bemorlar soni mavjud organlardan oshib ketgani sababli, terminal yurak yetishmovchiligida oʻrinbosar terapiya sifatida ishlatiladigan sunʼiy organlar bu qiyinchilikni yengillashtirishga yordam bergan boʻlardi. Sunʼiy yuraklar odatda yurak transplantatsiyasigacha boʻlgan davrni oʻtkazish uchun ishlatiladi yoxud terminal yurak ishdan chiqishida oʻrinbosar terapiya sifatida qoʻllanishi mumkin. Doktor Vladimir P. Demixov 1937-yilda ilk bor taklif qilgan toʻliq sunʼiy yurak (TAH) ideal muqobil sifatida yuzaga chiqdi. Shundan buyon u uzoq muddatli qon aylanish koʻmagini beradigan va qonni tegishli tarzda hayday olmaydigan kasallangan yoxud shikastlangan yurak qorinchalarini almashtiradigan, shu tariqa oʻpka hamda tizimli qon oqimini tiklaydigan mexanik nasos sifatida ishlab chiqildi va takomillashtirildi. Hozirgi TAH lardan biri — AbioCor; bu FDA tomonidan tasdiqlangan qurilma ikkita sunʼiy qorincha va ularning klapanlaridan iborat, teri ostidan ulanishni talab qilmaydi hamda ikki qorinchali yurak yetishmovchiligi boʻlgan bemorlar uchun tavsiya etiladi. 2010-yilda SynCardia koʻchma freedom driver qurilmasini chiqardi; u bemorlarga kasalxonaga bogʻlanib qolmasdan koʻchma qurilmaga ega boʻlish imkonini beradi.

Buyrak

Buyrak transplantatsiyasi mumkin boʻlsa-da, buyrak yetishmovchiligi koʻproq sunʼiy buyrak yordamida davolanadi. Ilk sunʼiy buyraklar va hozirda ishlatilayotganlarning aksariyati tana tashqarisida boʻladi — masalan, qonni bevosita filtrlaydigan gemodializ yoxud qorin boʻshligʻidagi suyuqlik orqali filtrlaydigan peritoneal dializ. Buyrakning metabolik omillar yoki gormonlar ishlab chiqarish kabi biologik vazifalariga hissa qoʻshish uchun baʼzi sunʼiy buyraklar tarkibiga buyrak hujayralari kiritiladi. Bu qurilmalarni kichikroq va koʻchma, hatto implantatsiya qilsa boʻladigan qilish yoʻlida ilgarilash boʻlgan. Bunday kichikroq qurilmalarda hamon yechilishi kerak boʻlgan muammolardan biri — cheklangan hajm, demak, cheklangan filtrlash imkoniyatini qoplash.

Normal buyrak toʻqimasi regeneratsiya qilinadigan asosni taʼminlash uchun biokarkaslar ham taklif qilingan. Bu karkaslar quyidagilarni qamrab oladi: tabiiy karkaslar (masalan, hujayralari olib tashlangan buyraklar, kollagen gidrogel yoxud ipak fibroini); sunʼiy karkaslar (masalan, poli[sut-ko-glikol kislota] yoki boshqa polimerlar); yoxud ikki va undan ortiq tabiiy hamda sunʼiy karkaslar birikmasi. Bu karkaslarni tanaga hujayra bilan ishlov bermasdan yoxud maʼlum muddat ildiz hujayra ekib, inkubatsiya qilgandan soʻng implantatsiya qilish mumkin. Karkas turini qiyoslash va optimallashtirish hamda implantatsiyadan avval hujayra ekish buyraklarning hayotchanligi, regeneratsiyasi va samarali ishlashiga qoʻshimcha hissa qoʻshadimi degan savolni baholash uchun in vitro va in vivo tadqiqotlar oʻtkazilmoqda. Yaqinda oʻtkazilgan tizimli sharh va meta-tahlil eʼlon qilingan hayvon tadqiqotlari natijalarini qiyosladi hamda gibrid (aralash) karkaslar va hujayra ekishdan foydalanilganda yaxshiroq natijalar qayd etilganini aniqladi; biroq bu natijalarning meta-tahlili sharhdagi tavsifiy natijalar bahosiga mos kelmadi. Shu bois yirikroq hayvonlar va yangi karkaslarni qamrab oladigan qoʻshimcha tadqiqotlar hamda oldingi tadqiqotlarning shaffofroq takrorlanishi maqsadga muvofiq.

Biomimetika

Asosiy maqola: Bionika

Biomimetika — tabiatda mavjud materiallar va tizimlarni takrorlaydigan materiallar hamda tizimlar yaratishni maqsad qilgan soha. Toʻqimalar muhandisligi kontekstida bu muhandislar qoʻllaydigan keng tarqalgan yondashuv boʻlib, u tuzilishi, xossalari va biomosligi jihatidan oʻz toʻqimalariga qiyoslanadigan materiallar yaratishga qaratilgan. Materialning xossalari koʻp jihatdan uning fizik, tuzilmaviy va kimyoviy tavsiflariga bogʻliq. Shunga koʻra, tizimni loyihalashdagi biomimetik yondashuv materiallarni integratsiya qilishda muhim ahamiyat kasb etadi; biologik jarayonlar va taʼsirlashuvlarni yetarlicha tushunish esa zarur boʻladi. Biologik tizim va jarayonlarni takrorlashdan kerakli biologik materialni beradigan sharoitlarga erishish uchun bioilhomlangan materiallar sintezida ham foydalanish mumkin. Shu bois, agar material tuzilishi va kimyosi jihatidan biologik toʻqimalarning aynan tavsiflariga ega qilib sintez qilinsa, ideal holda sintez qilingan material ham shunga oʻxshash xossalarga ega boʻladi. Bu usulning uzoq tarixi bor; u tabiiy hodisalardan inson muammolarini yechishda loyiha ilhomi sifatida foydalanish gʻoyasidan kelib chiqqan. Texnologiyadagi koʻplab zamonaviy yutuqlar tabiat va tabiiy tizimlardan ilhomlangan; bunga samolyotlar, avtomobillar, meʼmorlik, hatto sanoat tizimlari kiradi. Nanotexnologiyadagi yutuqlar bu usulni mikro- va nanomiqyosdagi masalalarga, jumladan, toʻqimalar muhandisligiga tatbiq etishga turtki berdi. Bu usul sunʼiy suyak toʻqimalari, qon tomir texnologiyalari, karkas materiallari va integratsiya usullari hamda funksionallashtirilgan nanozarrachalarni ishlab chiqishda qoʻllangan.

Yumshoq materialda neyron tarmoqlarini qurish

2018-yilda Brandeys universiteti olimlari neyron toʻqimasining silliq va muvofiqlashtirilgan xatti-harakatiga taqlid qila oladigan kimyoviy tarmoqlar joylashtirilgan yumshoq material boʻyicha tadqiqotlarini eʼlon qildi. Bu tadqiqot AQSh Armiya tadqiqot laboratoriyasi tomonidan moliyalashtirilgan. Tadqiqotchilar nazariy jihatdan reaksiya-diffuziya tizimlari sifatida modellashtirilgan neyron tarmoqlarining tajriba tizimini taqdim etdi. Tarmoqlar ichida naqshlangan reaktorlar majmuasi boʻlib, ularning har biri Belousov—Jabotinskiy (BZ) reaksiyasini amalga oshirardi. Bu reaktorlar nanolitr miqyosida ishlay olardi.

Tadqiqotchilarning aytishicha, loyihaga ilhom bergan narsa — koʻk lentasimon ilonbalining harakati. Ilonbalining harakatlari markaziy naqsh generatori deb ataladigan neyron tarmoqlar sinfi belgilaydigan elektr impulslari bilan boshqariladi. Markaziy naqsh generatorlari vegetativ nerv tizimi ichida ishlab, nafas olish, harakat va peristaltika kabi tana vazifalarini nazorat qiladi.

Loyihalashtirilgan reaktorning xossalari quyidagilar edi: tarmoq topologiyasi, chegaraviy shartlar, boshlangʻich shartlar, reaktor hajmi, bogʻlanish kuchi va reaktorning sinaptik qutbliligi (uning xatti-harakati tormozlovchimi yoki qoʻzgʻatuvchimi). Qattiq elastomer polidimetilsiloksan (PDMS) bilan BZ emulsiya tizimi loyihalandi. Yorugʻlik hamda bromni oʻtkazuvchi PDMS neyron tarmoqlar uchun ritm yurituvchi yaratishning maqbul usullari sifatida qayd etilgan.

Bozor

Toʻqimalar muhandisligi bozori tarixini uch yirik qismga boʻlish mumkin: 2000-yillar boshidagi biotexnologiya bozori qulashigacha boʻlgan davr, qulash va undan keyingi davr.

Boshlanishi

Toʻqimalar muhandisligi tadqiqotlaridagi ilk yutuqlarning aksariyati AQShda qoʻlga kiritilgan. Buning sababi — ildiz hujayra tadqiqotlariga oid qoidalar boshqa mamlakatlardagiga qaraganda unchalik qatʼiy emasligi va moliya koʻproq mavjudligi. Bu akademik startaplar yaratilishiga olib keldi; ularning koʻpchiligi Garvard yoki MIT dan chiqqan. Masalan, BioHybrid Technologies asoschisi Bill Chik Garvard tibbiyot maktabida oʻqigan va sunʼiy meʼda osti bezi yaratishga eʼtibor qaratgan. Yana bir misol — Organogenesis Inc.; uning asoschisi MIT da oʻqib, teri muhandisligi mahsulotlari ustida ishlagan. MIT bilan bogʻliq boshqa kompaniyalar — TEI Biosciences, Therics va Guilford Pharmaceuticals. 1980-yillarda biotexnologiyalarga qiziqishning qayta uygʻonishi koʻplab xususiy investorlarning bu yangi texnologiyalarga sarmoya kiritishiga olib keldi; garchi bu ilk startaplarning biznes-modellari koʻpincha unchalik aniq boʻlmasa va uzoq muddatli foydaga yoʻl koʻrsatmasa ham. Davlat homiylari moliyalashtirishda koʻproq tiyilib turdi, chunki toʻqimalar muhandisligi yuqori tavakkalli sarmoya deb hisoblanardi.

Buyuk Britaniyada ildiz hujayra tadqiqotlariga oid qoidalar ham qatʼiy boʻlmagani holda bozor sekinroq yoʻlga tushdi. Bunga asosiy sabab — koʻproq investorlar yuqori tavakkalli sarmoya deb hisoblangan bu yangi texnologiyalarga pul tikishga unchalik xohishi yoʻqligi. Britaniya kompaniyalari duch kelgan yana bir muammo — mahsulotlari uchun NHS ni toʻlovga koʻndirish edi. Buning sababi, ayniqsa, NHS qoʻllab-quvvatlanadigan barcha mahsulotlar boʻyicha xarajat-samaradorlik tahlilini oʻtkazishi. Yangi texnologiyalar esa bu jihatdan koʻpincha yaxshi natija koʻrsatmaydi.

Yaponiyada tartibga solish holati ancha boshqacha edi. Birinchidan, hujayra oʻstirishga faqat kasalxona sharoitida ruxsat berilgan; ikkinchidan, davlat universitetlarida ishlaydigan akademik olimlarga 1998-yilgacha tashqarida ishlash taqiqlangan edi. Bundan tashqari, Yaponiya idoralari yangi dori va davolash usullarini tasdiqlashga AQSh hamda Yevropadagi hamkasblariga qaraganda koʻproq vaqt sarflardi.

Shu sabablarga koʻra, Yaponiya bozorining dastlabki kunlarida asosiy eʼtibor boshqa joyda allaqachon tasdiqlangan mahsulotlarni Yaponiyaga olib kelib sotishga qaratildi. AQSh bozoridan farqli oʻlaroq, Yaponiyadagi ilk ishtirokchilar asosan yirik firmalar yoki shunday yirik firmalarning shoʻba kompaniyalari edi — masalan, J-TEC, Menicon va Terumo; kichik startaplar emas. Hujayra oʻstirishga kasalxonadan tashqarida ruxsat bergan 2014-yilgi tartibga solish oʻzgarishlaridan soʻng Yaponiyada tadqiqot tezligi ortdi va yapon kompaniyalari ham oʻz mahsulotlarini ishlab chiqara boshladi.

Qulash

Katta yuksalishdan koʻp oʻtmay ilk muammolar paydo boʻla boshladi. Mahsulotlarni FDA da tasdiqlatishda qiyinchiliklar boʻldi; tasdiqlangan taqdirda ham sugʻurta provayderlarini mahsulot uchun toʻlovga koʻndirish va uni sogʻliqni saqlash provayderlariga qabul qildirishda koʻpincha muammolar yuzaga keldi.

Masalan, Organogenesis oʻz mahsulotini sotishda va uni sogʻliqni saqlash tizimiga integratsiya qilishda muammolarga duch keldi. Bu qisman tirik hujayralar bilan ishlashning murakkabligi hamda shifokorlar bu mahsulotlarni anʼanaviy usullarga nisbatan qoʻllashda koʻproq qiyinchilikka uchragani bilan bogʻliq.

Yana bir misol — Advanced Tissue Sciences ning Dermagraft teri mahsuloti; u sugʻurta provayderlarining qoplashisiz yetarlicha yuqori talab yarata olmadi. Buning sabablari — 4000 dollarlik narx yorligʻi va bundan tashqari Advanced Tissue Sciences oʻz mahsulotini shifokorlarga tanitishda qiynalgani.

Yuqoridagi misollar kompaniyalar foyda koʻrishda qanday qiynalganini koʻrsatadi. Bu, oʻz navbatida, investorlarning sabri tugab, keyingi moliyalashtirishni toʻxtatishiga olib keldi. Natijada Organogenesis va Advanced Tissue Sciences kabi bir necha toʻqimalar muhandisligi kompaniyasi 2000-yillar boshida bankrotlik uchun ariza berdi. Oʻsha paytda bozorda tijorat teri mahsulotlariga ega boʻlgan yagona kompaniyalar aynan shular edi.

Qayta yuzaga chiqish

Bankrot boʻlgan yoki qiynalayotgan kompaniyalarning texnologiyalarini koʻpincha boshqa kompaniyalar sotib olar va rivojlantirishni koʻproq konservativ biznes-modellar asosida davom ettirardi. Yopilgach mahsulotlarini sotgan kompaniyalarga misol — Curis va Intercytex.

Kompaniyalarning koʻpchiligi toʻliq ishlaydigan organlar yaratish boʻyicha uzoq muddatli maqsadlaridan voz kechib, qisqa muddatda foyda keltira oladigan mahsulot va texnologiyalarni afzal koʻrdi. Bunday mahsulotlarga misol — kosmetika va sinov sanoatidagi mahsulotlar.

Boshqa hollarda, masalan, Advanced Tissue Sciences misolida, asoschilar yangi kompaniyalar ochdi.

2010-yillarda tartibga solish tizimi ham bozorga tezroq chiqishga koʻmaklasha boshladi, ayniqsa AQShda: FDA aynan tirik hujayralardan olinadigan mahsulotlarga moʻljallangan yangi markazlar va yoʻllar yaratdi — masalan, Biologik preparatlarni baholash va tadqiq etish markazi.

Ilk toʻqimalar muhandisligi mahsulotlari 2010-yillarda tijorat jihatdan foydali boʻla boshladi.

Tartibga solish

Yevropada tartibga solish hozirda uch sohaga boʻlingan: tibbiy buyumlar, dori vositalari va biologik preparatlar. Toʻqimalar muhandisligi mahsulotlari koʻpincha gibrid tabiatga ega, chunki ular odatda hujayralar va tayanch tuzilmadan iborat. Baʼzi mahsulotlar dori vositasi sifatida tasdiqlanishi mumkin boʻlsa, boshqalari tibbiy buyum sifatida tasdiqdan oʻtishi kerak. Derksen oʻz dissertatsiyasida toʻqimalar muhandisligi tadqiqotchilari baʼzan toʻqimalar muhandisligi xususiyatlariga mos kelmaydigan tartibga solish qoidalariga duch kelishini tushuntiradi.

Yevropada bu masalalarni hal qilishga qaratilgan yangi tartibga solish tizimlari kuzatilmoqda. Bu boradagi tartibga solish konsensusiga erishish qiyinligining izohi Buyuk Britaniyada oʻtkazilgan soʻrovda berilgan. Mualliflar bu muammolarni ksenotransplantatsiya kabi boshqa texnologiyalar bilan yaqin bogʻliqlik va oʻzaro kesishuv bilan izohlaydi. Shu bois uni tartibga soluvchi organlar alohida koʻrib chiqa olmaydi. Tartibga solishni bu va shunga aloqador tadqiqot sohalari bilan bogʻliq axloqiy bahslar (masalan, ildiz hujayralari boʻyicha bahs, organ transplantatsiyasi etikasi) yanada murakkablashtiradi. Yuqorida tilga olingan oʻsha soʻrov avtolog togʻay transplantatsiyasi misolida bir xil ijtimoiy subyekt muayyan texnologiyani „sof“ yoki „ifloslangan“ deb hisoblashi mumkinligini koʻrsatadi.

Yevropa Ittifoqida toʻqimalar muhandisligiga eng aloqador ikkita tartibga solish harakati bor. Bular — inson toʻqimalarini olish va qayta ishlash sifati hamda xavfsizligi standartlari toʻgʻrisidagi 2004/23/EC direktivasi (u Yevropa Parlamenti tomonidan 2004-yilda qabul qilingan) va taklif qilingan Inson toʻqimalar muhandisligi mahsulotlari toʻgʻrisidagi reglament. Ikkinchisi Yevropa Komissiyasining Tadbirkorlik boʻyicha bosh direksiyasi homiyligida ishlab chiqilgan va 2004-yilda Bryusselda taqdim etilgan.

Yana qarang

• Biotibbiy muhandislik
• Biologik muhandislik
• Biomolekulyar muhandislik
• Biokimyoviy muhandislik
• Hujayra muhandisligi
• Kimyoviy muhandislik
• Hujayradan tashqari matritsa biomateriali
• In vivo bioreaktor
• Induksiyalangan ildiz hujayralari
• Molekulyar protsessor
• Molekulyar oʻz-oʻzidan yigʻilish
• Mushak toʻqimalar muhandisligi
• Regeneratsiya
• Regenerativ tibbiyot
• Senolitik
• Sunʼiy organ
• 3D bioprint
• Toʻqimalar muhandisligida sifat nazorati
• Yurak klapanlari toʻqimalar muhandisligi
• Ksenotransplantatsiya
• Kislorod ishlab chiqaruvchi biomaterial

Adabiyotlar

• "Injectable self-assembling peptide nanofibers create intramyocardial microenvironments for endothelial cells". Circulation 111 (4): 442–50. February 2005. doi:10.1161/01.CIR.0000153847.47301.80. PMID 15687132. PMC 2754569. //www.pubmedcentral.nih.gov/articlerender.fcgi?tool=pmcentrez&artid=2754569. 
• Engineering flesh: towards professional responsibility for 'lived bodies' in tissue engineering. Technische Universiteit Eindhoven, 2008. ISBN 978-90-386-1428-1. 
• „First: Organs Tailor-Made With Body's Own Cells“. The New York Times (2012-yil 15-sentyabr).
• "Extensive neurite outgrowth and active synapse formation on self-assembling peptide scaffolds". Proceedings of the National Academy of Sciences of the United States of America 97 (12): 6728–6733. June 2000. doi:10.1073/pnas.97.12.6728. PMID 10841570. PMC 18719. //www.pubmedcentral.nih.gov/articlerender.fcgi?tool=pmcentrez&artid=18719. 
• „Vital Therapies falls 88%, ditches liver treatment after phase 3 fail“ (en). FierceBiotech (2018-yil 12-sentyabr).
• "Scaffolds for tissue fabrication". Materials Today 7 (5): 30–40. May 2004. doi:10.1016/s1369-7021(04)00233-0. 
• "Formation of highly porous biodegradable scaffolds for tissue engineering". Electronic Journal of Biotechnology 3 (2): 114–19. 2000. doi:10.2225/vol3-issue2-fulltext-5. http://www.scielo.cl/pdf/ejb/v3n2/art03.pdf. 
• Principles of tissue engineering, 2nd, Boston: Academic Press, 2000. ISBN 978-0-12-436630-5. 
• "Entrapment of migrating hippocampal neural cells in three-dimensional peptide nanofiber scaffold". Tissue Engineering 10 (3–4): 643–55. 2004. doi:10.1089/107632704323061997. PMID 15165480. 
• "Extracorporeal cellular therapy (ELAD) in severe alcoholic hepatitis: A multinational, prospective, controlled, randomized trial". Liver Transplantation 24 (3): 380–93. March 2018. doi:10.1002/lt.24986. PMID 29171941. PMC 5873437. //www.pubmedcentral.nih.gov/articlerender.fcgi?tool=pmcentrez&artid=5873437. 
• Stem Cell Biology and Tissue Engineering in Dental Sciences. Elsevier, 2014. ISBN 978-0-12-397157-9. 
• The Emergence of Tissue Engineering as a Research Field (Report). Abt Associates Inc.. 14 October 2003. https://www.abtassociates.com/files/Insights/reports/2003/Emergence_Tissue_Engineering_Research.pdf.  „Alternate webpage“. 2021-yil 16-avgustda asl nusxadan arxivlangan. Qaraldi: 2026-yil 16-iyul.

Havolalar

• Cell-Based Bone Tissue Engineering^[Usurped!]
• Clinical Tissue Engineering Center. Ogayo shtatining toʻqimalar muhandisligi tashabbusi (Regenerativ tibbiyot milliy markazi).
• Organ Printing. (Wayback Machine saytida 28 August 2008 sanasida arxivlangan). NSF moliyalashtirgan koʻp markazli tashabbus.
• LOEX Center. Laval universitetining toʻqimalar muhandisligi tashabbusi.