Potenciál nanovláken v tkáňovém inženýrství – nosiče napodobující architekturu lidské tkáně! 

Regenerativní medicína je jedním z nejdynamičtěji se rozvíjejících lékařských oborů. Jeho hlavním cílem je podpora obnovy nemocné a poškozené lidské tkáně. Příprava náhrad tkání a orgánů závisí na struktuře nosičů (tzv. scaffoldů) poskytujících specifické podmínky pro správný růst buněk a tvorbu celistvé tkáně.

Architektura a potenciál těchto nosičů prošly v posledních letech velikým vývojem. Scaffoldy se vyráběly z kovu, kolagenu, polyesterových pěn i hydrogelu. Zdaleka nejlepších výsledků ale dosahují nanovlákna, zejména ta vytvořená metodou tzv. elektrostatického zvlákňování.

Jaká jsou pozitiva těchto nanovláken?

1. Napodobují strukturu přírodní extracelulární matrice, v níž se přirozeně drží buňky.
2. Mají malý průměr, který se přesně shoduje s velikostí extracelulární matrice, čímž jsou ideální pro uchycení, množení za účelem obnovování tkáně a diferenciaci buněk, tedy pro vznik funkčně i strukturně specializovaných buněk.
3. Navíc mohou být navržena tak, aby sloužila jako transportní prostředky pro bioaktivní faktory, tzn. řízeně dopravovala růstové faktory a hormony tak, aby „umělá tkáň“ správně rostla.
4. Složky scaffoldů jsou bioaktivní (umožňují řízené uvolňování biomolekul podle časového rámce regenerace tkáně) a biodegradovatelné (absorbuje je okolní tkáň bez nutnosti chirurgického odstranění a bez rizika poškození nové tkáně).

Polymerní nanovlákna se využívají v mnoha oblastech tkáňové inženýrství, protože jsou adaptibilní a strukturálně různorodá. Kupříkladu u zmiňovaného elektrostatického zvlákňování je možné použít metodu klasického, koaxiálního nebo střídavého zvlákňování a také technologii zvlákňování z volné hladiny Nanospider™.  Modifikace zvlákňovací trysky umožňuje tvorbu vláken s unikátní strukturou a vlastnostmi. Nanovlákna pak mohou mít libovolnou poréznost v závislosti na typu materiálu, rychlosti odpařování a mísitelnosti použitých rozpouštědel. To otevírá možnost vytvářet např. kompozitní vlákna do scaffoldů, která dopraví k buňkám příslušné biomolekuly, a mají schopnost mechanicky podpořit implantované buňky i v okamžiku selhání systému.

Využití nanovláken v specifických podoborech tkáňového inženýrství

Ačkoli vědci zkoumají potenciál nanovláken v různých oborech tkáňového inženýrství, včetně pěstování celých orgánů, nejprobádanější je stále svalstvo a kosti. Regenerativní medicína se nejvíce zaměřuje na podporu obnovy:

• Kostní tkáně,
• Kůže,
• Svalstva a
• Chrupavek.

Zajímavost: Vypěstovat celou ledvinu nebo játra je nesmírně složité. Tyto orgány představují co do komplexnosti nejvyšší úroveň složitosti. Aby mohli vědci vypěstovat ledvinu, musí nejprve postavit scaffold, ten naplnit kmenovými buňkami a složitou signalizací je „vyzvat“ k přeměně na buňky krevních cév.

Potenciál nanovláken v architektuře kostní tkáně

Návrh nosiče pro růst kostní tkáně je založen na fyzikálních vlastnostech kostí, tj. pevnosti, pórovitosti, tvrdosti a celkové 3D struktuře. Mezenchymální kmenové buňky (MSC) jsou schopné obnovovat poškozené tkáně tím, že se mění na široké spektrum specializovaných buněk, např. chondrocyty (buňky chrupavky), osteocyty (kostní buňky), neurony i myocyty (svalové buňky). To z nich činí nejvzácnější kandidáty pro použití v regenerativní medicíně, poněvadž se z nich mohou v laboratořích vypěstovat takřka jakékoli buňky potřebné k obnově tkáně. MCS navíc na nanovláknech krásně rostou, produkují hojnou extracelulární matrici a slušně mineralizují.

Tip: Nejčastěji se využívají kompozity na bázi kolagenových nebo želatinových nanovláken, protože musí mít odpovídající porozitu a morfologii pro transport buněk, živin, signálních molekul, plynů a metabolických produktů.

Potenciál nanovláken v architektuře chrupavek

Tkáň chrupavky má omezenou schopnost opravy vzhledem ke snížené dostupnosti chondrocytů. Chondrocyt je základní buňkou chrupavky a její energetické možnosti jsou bohužel velice omezené. Většinu energie k výrobě proteinů získává z anaerobního dýchání, protože v chrupavce je nedostatek kyslíku, tedy není vůbec prokrvena. Celou situaci komplikuje také kompletní nepřítomnost progenitorových buněk v blízkosti zranění. Jedná se o základní linie buněk, z níž by se vyvinuly specializované chondrocyty. Chrupavka neobsahuje cévy ani nervy a její výživa je zajišťována z nitrokloubní tekutiny. Tento způsob výživy však významně limituje regenerační schopnost chrupavky – poškození se tak hojí velmi dlouho, a zvláště v případě větších defektů k plné obnově chrupavky již nedochází. Jednou ze zásadních metod opravy chrupavkové tkáně je tedy vytvoření nanovlákenného 3D nosiče kombinovaného s chondrocyty a progenitorovými buňkami, které zajistí správný růst tkáně a vytvoření celistvé vazivové náhrady.

Tip: Cílem buněčného nosiče je po implantaci degradovat souběžně s tvorbou nové zdravé tkáně, která postupem času zcela nahradí tento nanovlákenný 3D implantát.

Potenciál nanovláken v architektuře pokožky

Kožní rány se normálně hojí jizvou, tedy vazivovou tkání postrádající elasticitu. Jizva omezuje pohyb tkáně, mnohdy způsobuje bolest a je esteticky nežádoucí. Nanovlákna nosiče umožňují vypěstovat „kožní štěp“ a implantovat jej na zranění, které se zhojí zcela bez jizvy.

Tip: Využívá se netkaný hedvábný fibroin, což je nanovlákno vytvořené známou metodou elektrostatického zvlákňování. Díky vysoké poréznosti po potažení kolagenem typu I se zjistilo, že nejlépe podporuje adhezi fibroblastů a růst „nové kůže“.

Citované zdroje

1. Liu, H., Ding, X., Zhou, G., Li, P., Wei, X., & Fan, Y. (2013). Electrospinning of nanofibers for tissue engineering applications. Journal of Nanomaterials.
2. Vasita, R., & Katti, D. S. (2006). Nanofibers and their applications in tissue engineering. International Journal of nanomedicine, 1(1), 15.
3. Nemati, S., Kim, S. J., Shin, Y. M., & Shin, H. (2019). Current progress in application of polymeric nanofibers to tissue engineering. Nano convergence, 6(1), 1‑16.
4. Dahlin, R. L., Kasper, F. K., & Mikos, A. G. (2011). Polymeric nanofibers in tissue engineering. Tissue Engineering Part B: Reviews, 17(5), 349‑364.
5. Ma, Z., Kotaki, M., Inai, R., & Ramakrishna, S. (2005). Potential of nanofiber matrix as tissue‑engineering scaffolds. Tissue engineering, 11(1‑2), 101‑109.
6. Biomedical Nanotechnology. (2017). Nanotechnology in Tissue Engineering. P. Gopinath. YouTube video. [6.12.2021]. Dostupné z: https://www.youtube.com/watch?v=4S1aqJnVaQE&t=1403s.