Wprowadzenie

Liczne postępy w różnych dziedzinach badań, w tym biologii rozwojowej, biologii komórek macierzystych i technologii inżynierii tkankowej, ułatwiły rozwój medycyny regeneracyjnej. Pierwszą generacją medycyny regeneracyjnej jest terapia przeszczepiania komórek macierzystych z wykorzystaniem komórek macierzystych pochodzących z tkanek, zarodkowych komórek macierzystych (ES) lub indukowanych pluripotentnych komórek macierzystych (iPS). Na przykład przeszczep szpiku kostnego stał się już powszechną metodą leczenia białaczki i anemii hipoplastycznej. Ponadto, zarówno komórki ES, jak i komórki iPS wchodzą do badań klinicznych w przypadku wielu chorób i urazów, w tym białaczki, choroby Parkinsona i Alzheimera, zawału serca, cukrzycy, chorób wątroby i różnych innych schorzeń. Regeneracja tkanek jest pozycjonowana jako druga generacja medycyny regeneracyjnej, a kilka produktów, w tym skóra i chrząstka, są już dostępne na rynku. Ponadto, pierwsza na świecie terapia regeneracji tkanek wykorzystująca komórki iPS pochodzące od pacjenta lub anonimowego dawcy jest badana w próbie klinicznej w celu leczenia zwyrodnienia plamki żółtej związanego z wiekiem.

Następna generacja terapii regeneracyjnej jest ukierunkowana na całe organy składające się z wielu typów komórek o złożonej trójwymiarowej strukturze. W tej dekadzie, postępy w dziedzinie biologii komórek macierzystych i biologii rozwoju dostarczyły nowych możliwości regeneracji funkcjonalnych narządów. Podczas rozwoju embrionalnego narządy powstają z odpowiednich zarodków, które są indukowane przez wzajemne interakcje pomiędzy zdeterminowanymi przez los nabłonkowymi i mezenchymalnymi komórkami macierzystymi, zgodnie z poszczególnymi polami organotwórczymi (ryc. 1a). Funkcjonalna regeneracja narządów została po raz pierwszy osiągnięta w 2007 r. poprzez opracowanie nowatorskiej metody manipulacji komórkami w celu wygenerowania bioinżynieryjnego zarodka narządu z potencjałem organotwórczym nabłonkowych i mezenchymalnych komórek macierzystych wyizolowanych z zarodka narządu embrionalnego (rysunek 1b) . To pionierskie badanie i kolejne donosiły o w pełni funkcjonalnej regeneracji wielu typów narządów ektodermalnych, dostarczając dowodów na koncepcję funkcjonalnej regeneracji narządów .

Kolejna zmiana paradygmatu nastąpiła w 2008 roku wraz z odkryciem organoidów, które zostały wygenerowane poprzez indukowanie pola organotwórczego w agregacie komórkowym powstającym z pluripotencjalnych komórek macierzystych, takich jak komórki ES i iPS, a także tkankowych komórek macierzystych (ryc. 1c) . Praktycznie wszystkie rodzaje organoidów mogą być generowane, w tym organoidy centralnego układu nerwowego (tj. kora mózgowa, przysadka mózgowa, gałka oczna i ucho wewnętrzne). Chociaż pojawienie się organoidów stanowi przełom technologiczny, który obecnie służy jako podstawowe narzędzie w wielu podstawowych zastosowaniach biologicznych i klinicznych, organoidy nadal mogą tylko częściowo odtwarzać strukturę i funkcję oryginalnych narządów. Dlatego też, większość pojedynczych organoidów wytworzonych do tej pory może zastąpić ograniczone i/lub częściowe funkcje kompletnego narządu, dlatego też są one obecnie uważane za mini-organy. Ostatnio udało się stworzyć organoidy gruczołów ślinowych, które wykazują w pełni funkcjonalną regenerację narządów przy przeszczepie ortotopowym. Ponieważ zasady rozwoju narządów ektodermalnych są podobne do zasad rozwoju innych narządów, ważne jest, aby uzyskać głębsze zrozumienie regeneracji narządów ektodermalnych, aby osiągnąć w pełni funkcjonalną regenerację innych narządów (rysunek 1a). Ponadto, regeneracja układu narządów integumentarnych (IOS) przy użyciu metody organoidu in vivo wyraźnie wykazała możliwość regeneracji układu narządów .

W tym przeglądzie opisujemy ostatnie postępy w regeneracji narządów przy użyciu różnych populacji komórek macierzystych i strategii opartych na biologii rozwoju i biologii komórek macierzystych oraz omawiamy przyszłe kierunki terapii zastępczej narządów jako następnej generacji medycyny regeneracyjnej narządów.

Rozwój trójwymiarowej metody manipulacji komórkami, metody zarodków narządowych, przy użyciu komórek embrionalnych

Badacze próbowali regenerować narządy przez kilka dekad, łącząc funkcjonalne komórki, materiały rusztowania i substancje fizjologicznie czynne przy użyciu technik inżynierii tkankowej. Chociaż te wcześniejsze badania wniosły pewien wkład w regenerację narządów, istnieją znaczne obawy dotyczące wyników tych badań, takie jak niska wydajność indukcji narządów oraz niekontrolowany kierunek i rozmiar zregenerowanego narządu. Wraz z postępem w dziedzinie komórek macierzystych i biologii rozwojowej, odtwarzanie organogenezy w stadium płodowym uległo postępowi w ciągu ostatnich 30 lat. Proces rozwojowy regeneracji narządów rozpoczyna się od indukcji zarodka narządu przez interakcje nabłonkowo-mezenchymalne w polu narządowym, które tworzą się po ustaleniu planu ciała podczas wczesnego rozwoju. Techniki manipulacji komórkami mające na celu regenerację zarodków narządów zostały opracowane na przestrzeni lat, ale pełna reprodukcja rozwoju i regeneracji funkcjonalnych narządów nie została osiągnięta .

Opracowaliśmy metodę bioinżynierii, oznaczoną metodą zarodków narządów, aby odtworzyć indukcję zarodka narządu przez interakcje nabłonkowe i mezenchymalne we wczesnych etapach rozwoju. Przedzieliliśmy komórki nabłonkowe i mezenchymalne wyizolowane z embrionu myszy przy wysokiej gęstości komórek w żelu kolagenowym typu I, aby osiągnąć precyzyjną replikację procesów zachodzących podczas organogenezy. Stosując tę nowatorską metodę, zaobserwowaliśmy funkcjonalną regenerację wielu typów narządów ektodermalnych, takich jak zęby, mieszki włosowe i gruczoły wydzielnicze .

W pełni funkcjonalne bioinżynierowane zęby

3.1. Rozwój zęba

W rozwoju zarodka zęba blaszka zębowa początkowo grubieje (stadium laminy) (ryc. 2a). Zarodek zęba rozwija się i oddziałuje z nabłonkiem i mezenchymą błony śluzowej jamy ustnej. Następnie, w dniach zarodkowych (EDs) 11-13 u myszy, sygnały z nabłonka indukują zgrubienie nabłonka w miejscu przyszłego umiejscowienia zęba i późniejsze pączkowanie nabłonka (stadium bud) do leżącej u podłoża mezenchymy pochodzącej z grzebienia nerwowego. W wieku 13-15 lat węzeł szkliwny pełni funkcję centrum sygnalizacyjnego odpowiedzialnego za formowanie i utrzymanie brodawki zębowej. Pierwotne węzły szkliwne powstają w pączku zęba i pojawiają się podczas przejścia od stadium pączka do stadium czapeczki. W EDs 17-19, komórki nabłonkowe i mezenchymalne zarodka zęba różnicują się terminalnie. Mezenchyma różnicuje się również w miazgę zęba i tkanki przyzębia, które staną się cementem, więzadłem przyzębia i kością wyrostka zębodołowego. Tworzenie korzenia zęba rozpoczyna się po uformowaniu korony zęba, a dojrzałe zęby wyrzynają się w jamie ustnej.

3.2. W pełni funkcjonalna regeneracja zębów

Utrata zębów spowodowana próchnicą, chorobą przyzębia lub urazem powoduje zasadnicze problemy z prawidłowym funkcjonowaniem jamy ustnej i wiąże się z problemami dotyczącymi zdrowia jamy ustnej i zdrowia ogólnego . Konwencjonalne leczenie stomatologiczne mające na celu przywrócenie funkcji okluzyjnych po utracie zębów opiera się na zastępowaniu zębów materiałami sztucznymi, takimi jak stałe lub ruchome protezy i mosty. Chociaż te sztuczne metody leczenia są szeroko stosowane w leczeniu zaburzeń stomatologicznych, odzyskanie okluzji jest konieczne, ponieważ zęby koordynują się z siłą okluzyjną i siłą ortodontyczną otaczających mięśni, a integralność systemu stomatognatycznego jest zachowana poprzez ustanowienie systemu okluzyjnego podczas wzrostu szczęki w okresie postnatalnym. Ostatnie postępy w regeneracji tkanek umożliwiły badaczom wzmocnienie funkcji zębów biologicznych poprzez ułatwienie rozwoju zębów bazowych dzięki przebudowie kości i wspomaganiu zdolności do odbierania bodźców szkodliwych .

Jak wykazano w naszym poprzednim badaniu, bioinżynieryjny zarodek zęba rozwija się w prawidłową strukturę zęba i z powodzeniem wybucha w jamie ustnej po przeszczepie w region utraconego zęba (ryc. 2b) . W przypadku przeszczepu bioinżynieryjnego zarodka zęba zawierającego dojrzały ząb, więzadło przyzębia i kość wyrostka zębodołowego mogą zostać wszczepione w miejsce utraty zęba poprzez integrację kostną u biorcy (ryc. 2c). Bioinżynierowany ząb utrzymuje interakcje z więzadłem przyzębia i kością wyrostka zębodołowego pochodzącą z bioinżynierowanej jednostki zęba poprzez udaną integrację kostną. Twardość szkliwa i zębiny elementów bioinżynierowanego zęba mieściła się w normalnym zakresie podczas analizy za pomocą testu twardości Knoopa. Jako kierunek na przyszłość, kontrola kształtu zęba jest uważana za ważną. Zęby są generowane poprzez kierowanie mezenchymą zgodnie z planem ciała podczas procesu rozwoju. Jeśli chodzi o kontrolę morfologiczną zęba, szerokość zęba jest kontrolowana przez obszar kontaktów między warstwami komórek nabłonkowych i mezenchymalnych, a liczba wypustek jest kontrolowana przez ekspresję Shh w wewnętrznym nabłonku szkliwa. Ta technologia bioinżynierowanego zęba przyczynia się do realizacji terapii regeneracyjnej zastępującej cały ząb jako terapii następnej generacji.

W pełni funkcjonalny bioinżynierowany mieszek włosowy

4.1. Rozwój mieszków włosowych

Myszy mają cztery różne rodzaje włosów na grzbiecie, sklasyfikowane jako włosy strażnicze, szydłowe, auchene i zygzakowate. Rozwój mieszków włosowych w skórze grzbietu myszy rozpoczyna się od determinacji losu komórek mezenchymalnych w przybliżeniu w ED 10,5, co prowadzi do powstania kondensatu skórnego. Wzajemne interakcje pomiędzy kondensatem skórnym a pokrywającym go naskórkiem prowadzą do indukcji łożyska włosa (ryc. 3a). Po powstaniu łożyska włosa, rozwój mieszków włosowych przebiega w trzech falach, począwszy od rozwoju włosów strażniczych w 14,5 roku życia, poprzez włosy szydłowe i auchene w 17 roku życia, aż do włosów zygzakowatych po urodzeniu. Dolny koniec nabłonka czopowego włosa, który owija się wokół zagęszczonej komórki skórnej, tworzy zarodek macierzy włosa. Skondensowana komórka skórna tworzy brodawkę skórną, która jest uważana za niszę dla mezenchymalnych komórek macierzystych mieszka włosowego i indukuje różnicowanie macierzy włosa oraz tworzy wewnętrzną osłonkę korzenia mieszka włosowego i trzon włosa. Region wybrzuszenia również tworzy niszę komórek macierzystych nabłonka i jednocześnie łączy się z włóknami nerwowymi i mięśniem arrector pili (ryc. 3a) .

4.2. W pełni funkcjonalna regeneracja mieszków włosowych

Narząd włosa pełni funkcje biologiczne: termoregulacja, fizyczna izolacja od promieniowania UV, wodoodporność, czucie dotykowe, ochrona przed szkodliwymi bodźcami, kamuflaż i komunikacja społeczna. Zaburzenia związane z utratą włosów, takie jak wrodzona dysplazja mieszków włosowych i łysienie androgenowe, są uciążliwe z psychologicznego punktu widzenia i mają negatywny wpływ na jakość życia osób obu płci. Obecne leczenie farmakologiczne jest niewystarczające do osiągnięcia idealnej kontroli utraty włosów, takich jak wrodzona dysplazja mieszków włosowych lub łysienie plackowate. Wzrosło zapotrzebowanie na rozwój technologii bioinżynieryjnych umożliwiających terapię regeneracyjną w zakresie utraty włosów.

W cyklu włosa zarodki mieszków włosowych są okresowo odtwarzane, a nabłonkowe i mezenchymalne komórki macierzyste zdolne do regeneracji mieszków włosowych są obecne nawet u dorosłych. Dlatego narząd ten jest jedynym narządem, dla którego zarodki odtwarzające się mogą być regenerowane z komórek pochodzących od dorosłych. Opisano autologiczne przeszczepy mieszków włosowych, w których pojedynczy mieszek włosowy jest izolowany ze zdrowej skóry głowy i przeszczepiany pacjentom z łysieniem typu męskiego, a przeszczepione mieszki włosowe zachowują swoje właściwości. Według wielu badaczy, zastąpienie komórek skóry właściwej komórkami mezenchymalnymi, które są pobierane z cebulek dorosłych włosów w mieszku włosowym, indukuje tworzenie nowych mieszków włosowych. Jednak regeneracja mieszków włosowych, które funkcjonują we współpracy z otaczającą tkanką, jest trudna. Nasza grupa odtworzyła bioinżynierowany zarodek mieszka włosowego, który zawiera mezenchymalne komórki macierzyste, używając komórek nabłonkowych pochodzących z wybrzuszenia i komórek brodawki skórnej wyizolowanych nie tylko z embrionów, ale także od dorosłych myszy (ryc. 3b). Po przeszczepie ortotopowym bioinżynierowane zarodki mieszków włosowych rozwijają się w dojrzałe mieszki włosowe o prawidłowej strukturze i produkują włosy przez całe życie (ryc. 3c). Ponadto, zregenerowane mieszki włosowe sprawnie łączyły się z otaczającą je tkanką gospodarza i wykazywały odruch pilomotoryczny w odpowiedzi na podanie acetylocholiny (ryc. 3d). Badanie to wykazało potencjał tkankowych komórek macierzystych wyizolowanych z dorosłych mieszków włosowych do rozwoju w ludzkie mieszki włosowe w dziedzinie medycyny regeneracyjnej.

W pełni funkcjonalne bioinżynierowane gruczoły wydzielnicze

5.1. Rozwój gruczołów ślinowych i łzowych

Gruczoły wydzielnicze, w tym ślinianki i gruczoły łzowe, są niezbędne do ochrony i utrzymania funkcji fizjologicznych w mikrośrodowisku powierzchni jamy ustnej i oczu. Gruczoły wydzielnicze rozwijają się poprzez wzajemne interakcje nabłonkowo-mezenchymalne. Gruczoły ślinowe dzieli się na trzy główne typy: śliniankę przyuszną (PG), śliniankę podżuchwową (SMG) i śliniankę podjęzykową (SLG). SMG rozwija się poprzez inwazję nabłonka do obszaru mezenchymalnego na ED 11. Inwazyjna tkanka nabłonkowa proliferuje, tworząc szypułę nabłonkową (ryc. 4a). Pączek końcowy formuje rozgałęzioną strukturę poprzez wytworzenie szczeliny i powtórzenie procesu wydłużania i rozgałęziania z ED 12,5-14,5 . Cebulki końcowe różnicują się w komórki akarylarne i dojrzewają do syntezy białek wydzielniczych na ED 15. W przeciwieństwie do tego, gruczoł łzowy również rozwija się poprzez inwazję nabłonka do mezenchymalnego worka w skroniowej części oka w 12,5 roku. Zaokrąglone pączki nabłonka kondensują się w górnym fornixie spojówki, który następnie wrasta w otaczającą mezenchymę. Zarodek gruczołu łzowego tworzy odgałęzienia poprzez wydłużenie szypuły i morfogenezę rozszczepu. Podstawowa struktura gruczołu łzowego jest osiągana przez ED 19 .

5.2. Regeneracja ślinianek i gruczołów rzęskowych

Suchość w jamie ustnej i suchość oka są częstymi objawami. Choroby gruczołów ślinowych obejmują guzy ślinianek, zaburzenia obturacyjne, infekcje i objawy chorób ogólnoustrojowych, takich jak zespół Sjögrena, chłoniaki i choroby metaboliczne. Choroby te wpływają również na gruczoły łzowe, powodując suchość oka. Dysfunkcje i zaburzenia związane z tymi gruczołami zewnątrzwydzielniczymi powodują ogólne obniżenie jakości życia. Jednakże, obecne terapie chorób charakteryzujących się suchością jamy ustnej i oczu leczą jedynie objawy. Terapie te przynoszą jedynie tymczasowe efekty i nie odwracają dysfunkcji gruczołów zewnątrzwydzielniczych.

Nasza grupa dążyła do opracowania lepszych metod leczenia poprzez odtworzenie bioinżynieryjnego zarodka ślinianki z komórek nabłonkowych i mezenchymalnych pochodzących z zarodków ślinianki ED 13,5-14,5 mysich embrionów przy użyciu opracowanej przez nas metody zarodkowania narządów (ryc. 4b). Po ortotopowej transplantacji po usunięciu rodzimych ślinianek, zarodek bioinżynierowanej ślinianki rozwinął się w dojrzałą śliniankę, a pomiędzy przewodem ślinowym gospodarza i bioinżynierowanym przewodem ślinowym wytworzyło się prawidłowe połączenie (ryc. 4b). Procedura ta doprowadziła do powstania połączonego przewodu ślinianki u myszy biorcy z akinarnymi strukturami tkankowymi, które były podobne do naturalnego gruczołu ślinowego (rysunek 4c). W bioinżynierowanym SMG zregenerowały się surowicze komórki akinarne i wykazywały naturalną strukturę organiczną. Odnotowano również wejście nerwów do tych bioinżynierowanych ślinianek, a wydzielanie śliny było indukowane w śliniance przez stymulację kubka smakowego przy użyciu kwasu cytrynowego (rysunek 4d).

Odbudowaliśmy również bioinżynierowany zarodek gruczołu łzowego z komórek nabłonkowych i mezenchymalnych pochodzących z zarodka gruczołu łzowego ED 16.5 zarodka myszy. Bioinżynierowane zarodki gruczołów łzowych, które zostały wygenerowane metodą zarodków organowych, pomyślnie przeszły morfogenezę rozgałęzień. Po transplantacji, gruczoły te rozwinęły się w dojrzałe struktury gruczołów wydzielniczych in vivo. Wyniki te potwierdziły możliwość regeneracji bioinżynierowanego gruczołu wydzielniczego przy użyciu transplantacji zarodków organów.

Generacja organoidów jako mini-organów z pluripotencjalnych komórek macierzystych

Organoidy, które odtwarzają częściową strukturę i funkcję organów, zostały wygenerowane z multipotencjalnych komórek macierzystych w oparciu o koncepcję rekapitulacji procesu indukcji pola organotwórczego z następującą samoorganizacją podczas organogenezy embrionalnej. Indukcja ta została osiągnięta poprzez zastosowanie różnych kombinacji cytokin, które naśladują patterning i pozycjonowanie sygnalizacji w embrionie. Koncepcja ta została po raz pierwszy udowodniona przez udaną generację organoidu pucharu wzrokowego z komórek ES. Następnie indukowano różne organoidy w każdym polu organotwórczym, takie jak siatkówka, przysadka mózgowa, mózg, ucho wewnętrzne i mieszek włosowy w polu głowy; tarczyca i płuco w polu klatki piersiowej; oraz jelito cienkie, żołądek i nerka w polu brzucha.

Dorosłe komórki macierzyste tkanek, takie jak jelitowe, płucne, żołądkowe i trzustkowe komórki macierzyste, są również zdolne do generowania organoidów poprzez samoorganizację ich niszy, która może częściowo odtworzyć oryginalną strukturę tkanki. Chociaż definicja organoidu jest nieco inna w zależności od jego pochodzenia (tj. pluripotencjalne komórki macierzyste lub tkankowe komórki macierzyste), organoidy częściowo odtwarzają strukturę narządu lub tkanki i mogą rosnąć do ograniczonych małych rozmiarów, a zatem są uważane za mini-organy. Dlatego, w przeciwieństwie do zarodka bioinżynieryjnego narządu, organoid nie jest w stanie całkowicie zastąpić funkcji swoich oryginalnych narządów po przeszczepie ortotopowym samodzielnie; jednak ortotopowe i heterotopowe przeszczepienie wielu organoidów może częściowo odzyskać funkcję narządu .

Ostatnio z powodzeniem zregenerowaliśmy w pełni funkcjonalny gruczoł ślinowy z komórek ES myszy in vivo (rysunek 4e,f) . Używając ogólnej metody tworzenia organoidów, wytworzyliśmy primordium ślinianki jako organoid poprzez indukcję pola organotwórczego (tj. ektodermy jamy ustnej), które następnie przeszczepiono ortotopowo. Przeszczepiony organoid rozwinął się w dojrzałą śliniankę o prawidłowej strukturze tkankowej, takiej jak tkanka acinarna, i utworzył odpowiednie połączenia z otaczającymi tkankami, w tym z przewodem PG i nerwami. Co więcej, zregenerowana ślinianka wydzielała ślinę w odpowiedzi na stymulację smakową z użyciem kwasu cytrynowego, demonstrując pełną regenerację funkcjonalną oryginalnej ślinianki po ortotopowej transplantacji organoidu (ryc. 4f). Badania te wyraźnie pokazują możliwość funkcjonalnej regeneracji narządów przy użyciu organoidów, generowanych poprzez indukowanie pola organotwórczego w multipotencjalnych komórkach macierzystych, a nie embrionalnych komórkach macierzystych o potencjale organotwórczym. Opracowanie nowatorskiego systemu hodowli in vitro umożliwiającego wzrost do odpowiednich rozmiarów organoidów dużych narządów, takich jak wątroba i nerka, powinno być kolejnym tematem badań w celu osiągnięcia regeneracji narządów.

Regeneracja trójwymiarowego IOS z komórek iPS

Koordynowana funkcja wielu narządów, określanych zbiorczo jako układ narządów, takich jak centralny układ nerwowy, układ krążenia, układ pokarmowy i IOS, jest niezbędna do utrzymania homeostazy w organizmie. Dlatego też regeneracja całego układu narządów jest kolejnym wyzwaniem w dziedzinie medycyny regeneracyjnej. IOS jest największym układem narządów w organizmie. System ten zawiera kilka narządów, takich jak mieszki włosowe, gruczoł łojowy i gruczoł potowy, oprócz tkanki skórnej, która składa się z naskórka, skóry właściwej i tłuszczu podskórnego. Układ narządów skóry odgrywa ważne role w homeostazie, takie jak wydzielanie wilgoci i łoju oraz ochrona przed promieniowaniem ultrafioletowym i bodźcami zewnętrznymi przez łodygi włosów. Uszkodzenie skóry w wyniku ciężkich oparzeń stanowi zagrożenie dla życia. Wady wrodzone i utrata przydatków skóry znacznie pogarszają jakość życia, choć możliwe jest częściowe leczenie regeneracyjne za pomocą płatów naskórkowych. Opisano tworzenie sztucznej skóry składającej się z naskórka i skóry właściwej oraz regenerację narządów mieszków włosowych poprzez manipulację komórkami. Niemniej jednak, żaden system narządów skóry nie został zregenerowany.

Ostatnio z powodzeniem zregenerowaliśmy IOS poprzez indukowanie pola organotwórczego w ciałach embrionalnych (EBs) pochodzących z mysich komórek iPS (ryc. 5a) . Po przeszczepieniu EBs do torebki podnerkowej, generowanie przydatków skóry, w tym mieszków włosowych, gruczołów łojowych i podskórnej tkanki tłuszczowej zostało potwierdzone w bioinżynierowanym IOS bez nowotworzenia (rysunek 5b,c). Ponadto, liczba i gęstość zregenerowanych włosów w bioinżynierowanym IOS była taka sama jak we włosach naturalnych, co sugeruje, że organogeneza w IOS przebiegała w podobny sposób jak w normalnym rozwoju. Bioinżynierowany IOS wytworzony w torebce podnerkowej był w pełni funkcjonalny po przeszczepieniu na skórę pleców myszy nude, o czym świadczył powtarzający się cykl włosów (ryc. 5d). Badanie to potwierdziło koncepcję regeneracji układu narządów in vivo. Z perspektywy praktycznego zastosowania, pożądana jest nowatorska strategia generowania układu narządów in vitro. Jedn± z takich strategii może być składanie wielu typów organoidów jako czę¶ci. Badania nad kontrolą konfiguracji organoidów i ich hodowlą in vitro będą kolejnym trendem w dziedzinie medycyny regeneracyjnej.

Wnioski i przyszłe perspektywy

W tej dekadzie, badania nad regeneracją narządów rozpoczynające się od technologii bioinżynierii poczyniły duże postępy w kierunku realizacji terapii regeneracyjnej narządów poprzez włączenie koncepcji z biologii komórek macierzystych i biologii rozwoju. W oparciu o wyniki badań nad organoidami, praktycznie wszystkie mini-organy mogą być generowane z pluripotencjalnych komórek macierzystych lub tkankowych komórek macierzystych, rozwiewając obawy dotyczące źródła komórek dla terapii regeneracyjnej narządów. Funkcjonalna regeneracja narządów ektodermalnych przy użyciu komórek wyizolowanych z embrionalnych zarodków narządów, komórek macierzystych o potencjale indukcyjnym narządów i pluripotencjalnych komórek macierzystych dowodzi koncepcji terapii zastępczej narządów.

Rozwój trójwymiarowego systemu hodowli in vitro ze zdolnością do wzrostu organoidów i zarodków narządów do odpowiednich rozmiarów jest niezbędny do osiągnięcia funkcjonalnej regeneracji wielu narządów i układów narządów. Obecne systemy hodowli in vitro nie umożliwiają odpowiedniego wzrostu lub utrzymania organoidów i zarodków narządowych ze względu na pojawianie się martwicy wewnątrz tych tkanek, głównie z powodu braku dopływu substancji odżywczych. In vivo, system krążenia krwi jest niezbędny do utrzymania funkcji narządów poprzez transport tlenu, dostarczanie składników odżywczych i usuwanie odpadów. Ostatnie postępy w inżynierii tkankowej wykazały, że sieć naczyniowa dostarcza substancje biologiczne do wnętrza sferoidy komórkowej. Co więcej, wcześniej opracowaliśmy system hodowli perfuzyjnej narządów z wykorzystaniem sieci naczyniowej, który utrzymywał wątrobę szczura w zdrowym stanie przez dłuższy czas, dostarczając wskazówek do opracowania nowego trójwymiarowego systemu kultury.

Ponieważ komórki macierzyste mieszków włosowych są jedynymi dorosłymi komórkami macierzystymi posiadającymi potencjał indukcji narządów, które mogą być przeszczepiane autogennie, pierwsza ludzka próba kliniczna terapii regeneracyjnej narządów będzie niewątpliwie badać regenerację mieszków włosowych. Regeneracja mieszków włosowych przy użyciu naszej metody zarodkowej jest obecnie badana w badaniu przedklinicznym w celu leczenia pacjentów cierpiących na łysienie androgenowe, z zamiarem przeprowadzenia badań klinicznych w 2020 roku. Ta terapia regeneracyjna mieszków włosowych będzie kamieniem milowym w terapiach regeneracyjnych narządów i doprowadzi do rozwoju infrastruktury materiałowej i reaktywnej w celu realizacji medycyny regeneracyjnej narządów. Zastosowanie wiedzy o regeneracji mieszków włosowych i doświadczenia uzyskanego z prób klinicznych do innych zarodków narządów lub organoidów umożliwi regenerację innych narządów z pluripotencjalnych i tkankowych komórek macierzystych w połączeniu z technologiami organoidów w ciągu najbliższych kilku dekad.

Dostępność danych

Ten artykuł nie ma dodatkowych danych.

Wkład autorów

T.T. zaprojektował ten przegląd. E.I., M.O., M.T. i T.T. napisali manuskrypt.

Konkurencyjne interesy

To badanie zostało przeprowadzone w ramach umowy wynalazczej między Riken i Organ Technologies Inc. T.T. jest dyrektorem w Organ Technologies Inc.

Finansowanie

Publikacja tego przeglądu była częściowo wspierana przez Grant-in-Aid for KIBAN (A) z Ministerstwa Edukacji, Kultury, Sportu, Nauki i Technologii (grant nr 25242041) oraz przez grant na współpracę (dla T.T.) z Organ Technologies Inc. This work was partially funded by Organ Technologies Inc.

Przypisy

.