Sciencemag.cz
Doporučujeme
V lidském těle je pět typů tkání: epitelová, pojivová, svalová, nervová tkáň a krev. Každá tkáň má specifické fyzikální, chemické i biologické vlastnosti. Snadno si představíme třeba tvrdou kost, flexibilní kůži či kontraktilní svalovinu. Touto představou dokumentujeme, že tkáně jsou velmi specifické a scaffoldy by tyto zvláštnosti měly odrážet ve svých vlastnostech. Před vlastní výrobou scaffoldů je nepochybně důležité specifické vlastnosti přirozených tkání znát. V této podkapitole se podrobněji podíváme na vlastnosti nanovlákenných scaffoldů z pohledu tkáňového inženýrství kostí, což je příklad tvrdé pojivové tkáně.
Kostní tkáň
Kosti jsou mineralizovanou pojivovou tkání u obratlovců. Slouží k pohybu a opoře těla a k ochraně vnitřních orgánů. Kostní tkáň funguje i jako významná zásobárna minerálních látek. Je tvořena kostními buňkami a mineralizovanou ECM. V kostní dřeni probíhá krvetvorba. V kosti jsou přítomny dvě kostní buněčné linie. První linií jsou buňky formující kost; mezi ně patří osteoblasty a osteocyty. Osteoblasty jsou buňky, jež produkují takzvaný osteoid, což je kostní mimobuněčná hmota, která ještě není mineralizovaná. Osteoblasty se do ní postupně zanoří a stanou se z nich osteocyty. Osteocyty mimobuněčnou hmotu již neprodukují, nýbrž vytvářejí buněčné výběžky, jimiž se dotýkají sousedních osteocytů. Celý propojený systém osteocytů slouží jako senzory mechanického namáhání kostí v důsledku fyziologického zatížení. Druhou linií jsou buňky odbourávající (resorbující) kost a nazývají se osteoklasty. Díky přítomnosti buněk formujících i resorbujících kost dochází k neustálé přestavbě kostní tkáně, probíhající po celý život jedince. Díky nepřetržité přestavbě se například opraví mikrotrhliny v kostech, jež vznikají přirozeně v důsledku vnějších sil působících na kosti [18].
Kost je tvrdou tkání, to plyne z jejího složení a uspořádání. Z hlediska váhových procent je kost tvořena z 10 % vodou, z 20 % proteiny a ze 70 % anorganickými komponentami. Z proteinů je v nejvyšší míře přítomen kolagen typu I sloužící k propojení mimobuněčné hmoty. Povrch kolagenu je elektricky pozitivní. Díky elektrickým interakcím s pozitivním povrchem kolagenu interagují negativně nabité nekolagenní proteiny, jako jsou osteokalcin či kostní sialoprotein. Nekolagenní proteiny na sebe vážou vápníkové ionty, a tím napomáhají ukládání anorganické složky kosti na mimobuněčnou hmotu (osteoid).
Hlavní anorganickou složkou v kostech jsou nanokrystalky hydroxyapatitu. Hydroxyapatit je jeden z nejvýznamnějších biokeramických materiálů, jenž obsahuje prvky vápníku a fosforu. Ukládáním anorganických složek dochází k mineralizaci mimobuněčné hmoty. Výsledkem je vznik tvrdé mineralizované kosti [18].
Léčba kostních defektů
Kostní defekty nadkritické velikosti postrádají schopnost regenerace. Jsou definované charakteristickým rozměrem, který je 2,5krát větší než poloměr poraněné kosti. Defekty nadkritické velikosti vznikají úrazem, chronickou infekcí, odstraněním nádoru či nezdařenou rekonstrukční operací kloubu (artroplastiky).
Při pouhé fixaci defektu nadkritické velikosti nedochází k jeho přemostění a vzniku plnohodnotné kosti, ale vzniká takzvaný pakloub (tj. chybějící kostěný srůst fragmentů kosti). Proto je naléhavě potřeba vyvinout výplňový materiál, který by sloužil jako dočasná náhrada kostní tkáně. Její funkcí je zajistit fyzickou podporu buňkám migrujícím do místa defektu a stimulovat regeneraci poškozené kosti. Standardem pro léčbu kostních defektů je transplantace za použití autologních kostních štěpů. Jde o část pacientovy kosti odebranou například z kosti kyčelní, ze žeber nebo z kosti lýtkové. Dále je možné použít alogenní kostní štěp, tedy dárcovskou část kosti odebranou od jiného člověka.
Cílem kostního tkáňového inženýrství je hledání jiných možností, které by nahradily užití kostních štěpů, jejichž použití je spojeno s mnoha nedostatky. U autologních štěpů jde zejména o vznik krevního výronu, odumření okolní tkáně, o infekci či bolestivost v dárcovském místě. Odběr autologního štěpu je možný pouze z některých kostí a v omezené velikosti. Alogenní štěpy nesou
hlavně riziko přenosu nemocí či vzniku infekcí. Navíc musejí být z důvodu imunitní reakce pacienta zbaveny alogenní (cizorodé) buněčné složky, potom ale postrádají osteogenní vlastnosti. To znamená, že v alogenním štěpu nejsou obsaženy buňky umožňující přímé formování kosti.
Vlastnosti kostních scaffoldů
Při hledání náhradního řešení k použití kostních štěpů je třeba uvědomit si specifické požadavky kladené na ideální dočasné náhrady kostní tkáně (bone scaffold neboli „kostní nosiče“). Mezi ně patří kontrolovatelná biodegradabilita v průběhu času, kdy nosič musí umožnit postupnou tvorbu kostní tkáně a její ukládání. Současně musí pozvolna degradovat, aniž tvoří škodlivé odpadní produkty, a musí být biokompatibilní. Pro kostní tkáňové inženýrství je nezbytné, aby byl nosič dostatečně porézní s propojenými póry, které umožní buněčnou migraci, novotvorbu cév, difúzi plynů, živin a odpadních látek. V neposlední řadě by to měla být třídimenzionální kostní náhrada s odpovídajícími mechanickými vlastnostmi, především pokud jde o hodnoty tuhosti a pevnosti.
Kostní tkáňový nosič by měl mít vhodné osteokonduktivní vlastnosti, jichž lze dosáhnout například použitím mineralizovaného tkáňového nosiče, poskytujícího podporu vrůstu nové kosti. Osteoinduktivní vlastnosti má funkcionalizovaný nosič obsahující proteiny, které stimulují regeneraci kosti. Osteogenních vlastností lze dosáhnout pomocí nosiče obsahujícího vlastní buňky pacienta umožňující přímou formaci (tvorbu) kosti. Nosič je nezbytné sterilizovat, aniž ztratí svou funkci a vlastnosti. Manipulace s materiálem by měla být snadná a jeho cena přijatelná.
Je patrné, že požadavků kladených na materiály pro výrobu kostních scaffoldů je celá řada, a jejich splnění je proto velkou výzvou. Testuje se mnoho materiálů a postupů přípravy, z nichž každý splňuje pouze některé z požadavků. Můžeme jmenovat například kovy, keramiky, bioaktivní sklo, demineralizovanou kostní matrix, kompozity s přídavkem mineralizované složky nebo polymery pro výrobu vlákenných scaffoldů. Právě vlákenným scaffoldům se v této kapitole budeme věnovat.
Ač většina lidí spojuje nanovlákenné materiály především s použitím pro technické účely (filtry, roušky, čipy), zde nahlížíme na vlákenné materiály z pohledu biomedicínského. Biomedicínské využití nanovlákenných materiálů je spojeno s odlišnými testovacími postupy oproti technickým aplikacím. Kromě charakterizace materiálu z pohledu fyzikálně chemických vlastností je zde ještě další velmi důležitý aspekt, a tím je biologické testování. Na scaffoldy se nasazují buněčné kultury, které jsou na tkáňovém nosiči kultivovány po stanovený čas. Jde o krátkodobé kultivace v řádu hodin až dní nebo o dlouhodobé kultivace trvající několik týdnů. Po tuto dobu jsou prováděny biologické testy. Nejčastěji se měří metabolická aktivita buněk, schopnost adheze buněk (buněčné přisednutí) na povrch scaffoldu, proliferace buněk (schopnost dělit se) nebo diferenciační potenciál buněk (produkce proteinů specifických pro daný typ tkáně). Pro tato testování byla vyvinuta a standardizována řada takzvaných protokolů, jež biologické testování umožňují.
Nanovlákenné scaffoldy jsou slibným materiálem pro užití v kostním tkáňovém inženýrství, a to hned z několika důvodů. K dispozici je široká škála polymerů, ať už syntetických, nebo přírodních, které mohou být formovány do podoby nanovláken metodou elektrostatického nebo odstředivého zvlákňování, elektro-blowingu, fázovou separací či samouspořádáním (selfassembling).
Mezi přírodní polymery vhodné pro kostní tkáňové inženýrství se řadí ty, jež jsou odvozené
z proteinů, například kolagen, fibrinogen, želatina nebo hedvábí, a dále polymery odvozené od polysacharidů, jako jsou glykosaminoglykany, celulóza, škrob, chitin, alginát nebo deriváty kyseliny hyaluronové [19]. Nosiče vyrobené z přírodních polymerů jsou biologicky aktivní, podporují adhezi a buněčnou diferenciaci. Avšak jejich produkce postrádá reprodukovatelnost.
K nejběžněji užívaným syntetickým polymerům v kostním tkáňovém inženýrství
se řadí zejména PLA, kyselina poly-L-mléčná (PLLA), PGA, PCL, polyhydroxybutyrát (PHB), polyethylen (PE), polypropylen (PP), PEG nebo PVA [19]. I když jsou to biokompatibilní polymery, jejich degradační produkty mohou být pro okolní tkáň škodlivé. Například hydrolýzou PGA nebo PLA nosičů dochází k produkci CO2, který může lokálně okyselit prostředí. To může vést k lokálnímu odumření tkáně, pokud je degradační rychlost materiálu příliš rychlá [20]. Naopak degradační produkty PCL jsou zpracovány v takzvaném Krebsově cyklu, popřípadě jsou vyloučeny renální sekrecí [21]. Krebsův cyklus je řada metabolických reakcí při aerobní oxidaci sacharidů, lipidů a proteinů. Renální sekrecí se rozumí sekrece ledvinami a močovými cestami.
Proces degradace polymerních vlákenných nosičů je možno řídit pomocí jejich molekulární hmotnosti a stupně krystalinity. Biodegradabilita byla již zmíněna jako důležitá vlastnost náhrad kostních štěpů. Optimální doba degradace náhrad kostních defektů je variabilní. Pro páteřní fúzi se udává doba devět měsíců, naopak pro léčbu lebečních poranění je vhodné rozmezí tří až šesti měsíců [22].
tento text je úryvkem z knihy:
Lukáš David a kol.: Nanovlákna
Academia 2023
O knize na stránkách vydavatele
