A

rtyku∏ ten, podobnie jak inne w tym raporcie
specjalnym, dowodzi, ˝e odtwarzanie tka-
nek jest nowà dziedzinà nauk medycznych.

Jeszcze kilka lat temu naukowcy utrzymywali, ˝e
ludzkie tkanki mogà byç zast´powane tylko w pro-
cesie transplantacji lub przez ca∏kowicie sztuczne
urzàdzenia z tworzyw lub metalu zawierajàce mi-

kroprocesory. Wielu z nich sàdzi∏o, ˝e narzàdy hy-
brydowe, sk∏adajàce si´ z ˝ywych komórek i natu-
ralnych lub sztucznych polimerów, nigdy nie zosta-
nà stworzone, a niedostatek ludzkich organów do
przeszczepienia uzupe∏niaç trzeba b´dzie narzàda-
mi zwierz´cymi.

Obecnie jednak odwa˝ne innowacje w labora-

toriach ca∏ego Êwiata wskazujà, ˝e wytwarzanie bio-
hybrydowych narzàdów jest mo˝liwe. Firmy bio-
technologiczne zajmujàce si´ in˝ynierià tkankowà ju˝
wprowadzi∏y na rynek produkty wartoÊci 4 mld dola-
rów i zwi´kszajà nak∏ady na ten cel o 22.5% rocznie.
Nim jednak zainwestowane Êrodki przyczynià si´ do
ograniczenia cierpieƒ zwiàzanych z ubytkiem tkanek,
in˝ynieria tkankowa musi pokonaç wiele przeszkód.

Komórki z magazynu

Uzyskanie niezawodnego êród∏a komórek

to za-

danie priorytetowe w in˝ynierii tkankowej. Mo˝li-
we jest wykorzystanie komórek zwierz´cych, nie wia-
domo jednak, czy sà one w pe∏ni bezpieczne; istnieje
du˝e prawdopodobieƒstwo ich odrzucenia na sku-
tek reakcji immunologicznej biorcy. Dlatego myÊli
si´ przede wszystkim o komórkach ludzkich.

Wykrycie pierwotnych komórek zarodkowych

cz∏owieka (dajàcych poczàtek wszystkim komórkom
organizmu) zrodzi∏o ostatnio nadziej´ na rozwiàza-
nie problemu [patrz: Roger A. Pedersen, „Pierwotne
komórki zarodkowe”, strona 36]. Ale od manipulowa-
nia pierwotnymi komórkami zarodkowymi do po-
wstania w pe∏ni zró˝nicowanych komórek, które mo-
gà byç u˝yte do wytworzenia lub naprawy narzàdu,
droga jest d∏uga.

Najbli˝szym celem jest obecnie wyizolowanie z tka-

nek tzw. komórek prekursorowych (autorzy u˝ywa-
jà okreÊlenia „progenitor cells”, które dotychczas nie

ma odpowiednika w j´zyku polskim – przyp. t∏um.).
Zosta∏y one w∏àczone do programu ró˝nicowania
i przesz∏y kilka jego etapów, ale poniewa˝ nie sà jesz-
cze w pe∏ni zró˝nicowane, istnieje szansa, ˝e pos∏u˝à
do namno˝enia kilku typów komórek. Na przyk∏ad
Arnold I. Caplan z Cleveland Clinic wraz ze wspó∏-
pracownikami wyizolowa∏ z ludzkiego szpiku kost-

nego komórki prekursorowe, któ-
re w laboratorium mogà zostaç
ukierunkowane do ró˝nicowania
si´ w osteoblasty budujàce koÊç lub
chondrocyty wytwarzajàce chrzàst-
k´. Podobnie Lola Reid z Univer-
sity of North Carolina w Chapel

Hill zidentyfikowa∏a w wàtrobie doros∏ego cz∏owie-
ka ma∏e, owalne komórki prekursorowe, z których
mogà powstawaç dojrza∏e hepatocyty – komórki wy-
twarzajàce ˝ó∏ç i inaktywujàce toksyny albo komórki
nab∏onkowe wyÊcie∏ajàce przewody ˝ó∏ciowe.

Inne badania

zmierzajà do rozwiàzania problemu za

pomocà generowania „uniwersalnych komórek daw-
cy”. Aby je wytworzyç, naukowcy musieliby usunàç
lub zamaskowaç innymi moleku∏ami bia∏ka powierzch-
niowe, które w normalnych warunkach identyfikujà
komórki dawców jako obce. Tej strategii u˝y∏ Diacrin
w Charlestown w Massachusetts, przygotowujàc ko-
mórki Êwiƒskie do przeszczepienia cz∏owiekowi. Pla-
nuje on tak˝e zastosowanie „maskowania” do prze-
szczepu komórek w sytuacji, gdy dawca i biorca nie
sà dobrani w uk∏adzie allogenicznym (czyli gdy nie
ma zgodnoÊci w systemie HLA – przyp. t∏um.). W Sta-
nach Zjednoczonych wydano ju˝ zgod´ na rozpocz´-
cie prób klinicznych z komórkami ludzkiej wàtroby
(w przypadkach niewydolnoÊci) zawierajàcymi zama-
skowane antygeny powierzchniowe.

Nale˝y si´ spodziewaç, ˝e komórki uniwersalnego

dawcy nie zostanà odrzucone przez biorc´ i da si´
ukierunkowaç ich ró˝nicowanie w celu uzyskania
ró˝nych typów komórek oraz b´dzie mo˝na dowol-
nie namna˝aç je w hodowlach tkankowych. Nie wia-
domo jednak, jak sprawdzà si´ komórki uniwersalne-
go dawcy w zakrojonych na wielka skal´ próbach
klinicznych.

Fabryki cz´Êci wymiennych

Droga do produkowania komórek i tkanek

wy-

maga wi´cej ni˝ proste zastosowanie znanych ju˝
metod. Dotàd zidentyfikowaliÊmy niewiele sygna-
∏ów biochemicznych, które decydujà o ró˝nicowaniu
si´ pierwotnych komórek zarodkowych i komórek

52 Â

WIAT

N

AUKI

Czerwiec 1999

RAPORT SPECJALNY

PRZYSZ¸OÂå IN˚YNIERII

Pewnego dnia wyposa˝anie pacjentów w narzàdy
i tkanki odtwarzane poza ustrojem mo˝e si´ staç
równie rutynowe jak obecnie stosowanie bajpasów.

Przeszkody w budowaniu nowych narzàdów z komórek
i sztucznych pod∏o˝y sà du˝e, ale dadzà si´ pokonaç

Robert S. Langer i Joseph P. Vacanti

prekursorowych w wyspecjalizowane rodzaje komó-
rek, a ponadto nie potrafimy jeszcze wyizolowaç ko-
mórek macierzystych i prekursorowych ze szpiku
kostnego bez znacznej iloÊci komórek tkanki ∏àcznej
– fibroblasów (fibroblasty sà w hodowlach niepo˝à-
dane, rosnà bowiem szybko i po kilku dniach zaczy-
najà dominowaç nad komórkami macierzystymi).

Naukowcy muszà zastosowaç bardziej wydajne

techniki, aby uzyskaç du˝o komórek w kontrolowa-
nych warunkach. Inkubatory powinny byç wyposa-
˝one w mieszad∏a, czujniki regulujàce odpowiedni
dop∏yw sk∏adników od˝ywczych, gazów (takich jak
tlen i dwutlenek w´gla) oraz okreÊlajàce poziom od-
padów metabolicznych (autorzy okreÊlajà takie in-
kubatory mianem bioreaktorów, nie u˝ywanym
w Polsce – przyp. t∏um.). Obecnie stosowanymi me-
todami otrzymujemy na ogó∏ zbyt ma∏o komórek lub
ich warstwy cieƒsze, ni˝ sà konieczne.

Niemniej pojawiajà si´ nowe rozwiàzania. Badacze

zdo∏ali przez kilka lat uzyskaç odpowiedniej wielko-
Êci fragmenty tkanki chrz´stnej, którymi da∏oby si´
zastàpiç z∏uszczonà chrzàstk´ stawowà w kolanie.
Gdy jednak chrzàstka osiàga∏a pewne rozmiary, chon-
drocyty w Êrodku tkanki by∏y zbyt oddalone od Êro-
dowiska hodowlanego zapewniajàcego im substan-
cje od˝ywcze, gazy i czynniki regulujàce wzrost oraz
odp∏yw produktów przemiany materii. Gordana Vun-
jak-Novakovic i Lisa Freed z Massachusetts Institute

of Technology rozwiàza∏y ten problem, hodujàc chon-
drocyty na trójwymiarowym zr´bie z polimerów [fo-
tografia poni˝ej]. Stosunkowo luêna struktura zr´bu
i sta∏e mieszanie p∏ynu hodowlanego zapewni∏y jed-
nolite przyleganie komórek do ca∏ego zr´bu i równo-
mierny dost´p do otaczajàcego je Êrodowiska.

Zwi´kszanie mechanicznych w∏aÊciwoÊci

tkanki

rosnàcej w inkubatorze b´dzie istotne, wiele bowiem
tkanek przekszta∏ca si´ albo zmienia swojà organi-
zacj´ wewn´trznà pod wp∏ywem rozciàgania lub uci-
sku. Chrzàstka otrzymana in vitro powi´ksza si´ na
przyk∏ad oraz zawiera wi´cej kolagenu i innych bia-
∏ek tworzàcych substancj´ pozakomórkowà, jeÊli ho-
dowla jest obracana i oddzia∏uje na nià poruszajàcy
si´ p∏yn. (Substancja pozakomórkowa to sieç, która
s∏u˝y do podtrzymania komórek, tworzàc z nich tkan-
k´.) Dzi´ki temu chrzàstka wytwarza wi´cej bia∏ek
substancji pozakomórkowych, staje si´ sztywniejsza,
bardziej oporna i wra˝liwa fizjologicznie na dzia∏ania
zewn´trzne.

Równie˝ John A. Frangos z University of Califor-

nia w San Diego wykaza∏, ˝e osteoblasty hodowane
w obecnoÊci kolagenu, zw∏aszcza gdy przez ca∏y czas
miesza si´ je w inkubatorze, wytwarzajà wi´cej mi-
nera∏ów kostnych ni˝ wtedy, gdy rosnà na p∏askim
nieruchomym pod∏o˝u. Laura E. Niklason, obecnie
z Duke University, udowodni∏a, ˝e ma∏e t´tnice for-
mowane in vitro z komórek Êródb∏onka (wyÊcie∏ajà-

Â

WIAT

N

AUKI

Czerwiec 1999 53

TKANKOWEJ

W specjalnym inkubatorze
(bioreaktorze) fragmenty
ludzkiego cia∏a mogà byç
wytworzone ze zr´bu
polimerowego i komórek.
Poni˝ej z prawej jest
formowany fragment
chrzàstki w celu naprawy
powierzchni stawowej.
W miar´ obrotu b´bna
(z lewej) wszystkie
komórki uzyskujà
równomierny dost´p
do Êrodowiska
hodowlanego.

Zdj´cia: SAM OGDEN

cych naczynia krwionoÊne) i komórek mi´Êni g∏ad-
kich bardziej przypominajà naturalne naczynia krwio-
noÊne, jeÊli hodowane sà w Êrodowisku imitujàcym
pulsacyjny przep∏yw krwi wytwarzany przez bijàce
serce. Kilka innych zespo∏ów badawczych, w tym
nasz, opracowuje metody hodowania tkanek szkiele-
towych lub mi´Ênia sercowego, które stajà si´ mocniej-
sze pod wp∏ywem si∏ fizycznych.

Po˝àdane w∏asnoÊci

Poznanie mechanizmów regulujàcych

zachowa-

nia komórek to kolejne wyzwanie. Systemy biolo-
giczne sà niewiarygodnie z∏o˝one – na przyk∏ad ludz-
ka wàtroba zawiera szeÊç ró˝nych typów komórek
u∏o˝onych w mikroskopowe promieniste zraziki.
Ka˝da z nich przeprowadza setki ró˝nych reakcji bio-
chemicznych. Co wi´cej, biochemiczna aktywnoÊç
komórki cz´sto zale˝y od jej wspó∏dzia∏ania z inny-
mi komórkami i z siecià substancji mi´dzykomórko-
wej, znajdujàcà si´ we wszystkich tkankach. David

J. Mooney z University of Michigan wyka-
za∏, ˝e hepatocyty produkujà ró˝nà iloÊç
bia∏ka uzale˝nionà od przylegania komó-
rek do pod∏o˝a. Aby otrzymaç nadajàcà si´
do przeszczepienia sztucznà wàtrob´ (je-
den z g∏ównych celów badaczy zajmujà-
cych si´ in˝ynierià tkankowà), nale˝y opa-
nowaç namna˝anie hepatocytów i innych
komórek wàtroby w warunkach, które
w najwy˝szym stopniu umo˝liwià im pe∏-
nienie funkcji fizjologicznych.

Poznanie „przekszta∏cania” komórek

natomiast b´dzie istotne, aby wytworzony
narzàd integrowa∏ si´ z organizmem bior-
cy. W czu∏ych testach laboratoryjnych pro-
duktu in˝ynierii tkankowej ujawniono, ˝e
przeszczep pobudza∏ komórki biorcy do

dalszego wzrostu. Pozwala∏o to na zast´powanie po-
limerów i komórek przeszczepionych tkankami same-
go biorcy. We wspó∏pracy z Toshiharu Shinoka i Joh-
nem E. Mayerem z Children’s Hospital w Bostonie
wykazaliÊmy na przyk∏ad, ˝e p∏atki zastawek serca
wykonane z polimeru oraz komórek nab∏onkowych

i miofibroblastów (rodzaj komórek pomocnych w go-
jeniu si´ ran) jagni´cia stajà si´ mocniejsze, bardziej
elastyczne i cieƒsze po wszczepieniu owcom. Ponad-
to po 11 tygodniach p∏atek nie zawiera∏ ju˝ polime-
ru, który uleg∏ przebudowie i sk∏ada∏ si´ wy∏àcznie
z substancji pozakomórkowej tkanek owcy. Nadal
jednak nie wiemy, jakie sà sygna∏y biochemiczne oraz
czynniki wzrostu warunkujàce takà przebudow´.

Tworzenie nowych materia∏ów

, które by∏yby bio-

degradowalne i nie wywo∏ywa∏y bliznowacenia,
z punktu widzenia in˝ynierii tkankowej jest potrze-
bà chwili. Wi´kszoÊç u˝ywanych obecnie jako zràb
materia∏ów nale˝y do jednej z dwóch grup: synte-
tycznych do produkcji wch∏anialnych szwów chirur-
gicznych oraz naturalnych, takich jak kolagen czy
wyciàg z glonów morskich (w postaci zbli˝onej do
˝elu). Zaletà materia∏ów sztucznych jest ich wytrzy-
ma∏oÊç mechaniczna, szybka degradacja, mo˝liwoÊç
kontrolowania ich mikrostruktury i przenikalnoÊci
ju˝ w czasie produkcji; do naturalnych zaÊ lepiej przy-
legajà komórki.

Pracownicy naukowi starajà si´ obecnie po∏àczyç

najlepsze cechy obu typów materia∏ów; dà˝à oni do
zaprojektowania nowej generacji tworzyw o po˝à-
danych w∏asnoÊciach. Konstruuje si´ na przyk∏ad bio-
degradowalne polimery z regionami o biologicznej
aktywnoÊci, które przypominajà naturalnà macierz
pozakomórkowà okreÊlonej tkanki. Jeden z takich
polimerów zawiera RGD, cz´Êç pozakomórkowej ma-
cierzy fibronektyny. Skrót RGD pochodzi od pierw-
szych liter nazw aminokwasów: argininy (R), glicy-
ny (G) i asparaginy (D). Wiele typów komórek
przylega w normalnych warunkach do fibronekty-
ny wskutek wiàzania si´ z RGD, dlatego umieszcze-
nie go na powierzchni polimerów stwarza komórkom
bardziej naturalne warunki wzrostu.

Inni próbujà wyprodukowaç polimery przewo-

dzàce elektrycznoÊç (mogà one okazaç si´ przydatne
do pobudzenia wzrostu w∏ókien nerwowych) lub
ulegajàce szybkiej koagulacji. Takie szybko zestalajà-
ce si´ materia∏y wstrzykiwano by do hybrydowych
produktów zawierajàcych ˝el z przygotowanymi ko-
mórkami, na przyk∏ad w celu wype∏nienia ubytków
powsta∏ych wskutek z∏amania koÊci.

54 Â

WIAT

N

AUKI

Czerwiec 1999

ULRICH A. STOCK

Harvard Medical School

Zdj´cia: GORDANA VUNJAK-NOVAKOVIC i LISA FREED

MIT

Na sztucznà zastawk´
serca wykonanà
z biodegradowalnego
tworzywa „wysiano”
komórki wyÊcie∏ajàce
naczynia krwionoÊne
owcy. Przeszczepione
biorcy (owcy)
tworzywo ulega
stopniowej degradacji
i jest zast´powane
naturalnymi bia∏kami
produkowanymi przez
jego w∏asne komórki
w s∏abo poznanym
procesie zwanym
przebudowà.

Indukowanie wzrostu naczyƒ krwionoÊnych,

czy-

li angiogeneza, b´dzie podstawowym zadaniem in-
˝ynierii narzàdów, które wymagajà du˝ego przep∏y-
wu krwi, g∏ównie trzustki, wàtroby i nerki. Nau-
kowcy ju˝ potrafià pobudzaç angiogenez´ w tkan-
kach wytwarzanych w laboratoriach, pokrywajàc po-
limerowy zràb podtrzymujàcy tkank´ czynnikami
wzrostu, które indukujà powstawanie naczyƒ [patrz:
David J. Mooney i Antonios G. Mikos, „Narzàdy z ho-
dowli”, strona 30]. W badaniach trzeba okreÊliç naj-
lepszy sposób uwalniania czynników wzrostu i kon-
trolowania ich aktywnoÊci – naczynia krwionoÊne
muszà tworzyç si´ tam, gdzie to konieczne, i kiedy sà
potrzebne.

W stron´ pacjenta

Rozwijanie nowych metod konserwowania

tkanek jest niezb´dne, aby produkty in˝ynierii tkan-
kowej mog∏y prze˝yç w drodze z laboratorium do
sali operacyjnej oraz podczas transplantacji. Przyda-
∏yby si´ odpowiednio przystosowane technologie po-
bierania narzàdów od dawców. Chirurdzy wiedzà
ju˝, ˝e najwi´cej uszkodzeƒ powstaje podczas reper-
fuzji, gdy narzàd jest po∏àczony z krwiobiegiem bior-
cy. Pobudza ona bowiem wytwarzanie si´ wolnych
rodników tlenowych, które uszkadzajà b∏ony komór-
kowe i zabijajà komórki. Aby uniknàç tego typu
uszkodzeƒ, dodaje si´ ostatnio do roztworów kon-
serwujàcych substancje chemiczne hamujàce powsta-
wanie wolnych rodników. Konieczne zatem b´dzie
znalezienie lepszej ochrony produktów in˝ynierii
tkankowej przed efektami reperfuzji i niedotlenie-

nia, które pojawiajà si´, gdy przep∏yw krwi jest nie-
wystarczajàcy. Trzeba tak˝e ulepszaç techniki kriopre-
zerwacji (konserwacji w niskich temperaturach), aby
wytworzone narzàdy da∏o si´ przechowaç zamro˝o-
ne do czasu przeszczepienia; obecne metody konser-
wacji zawiesin komórkowych musimy tak udosko-
naliç, aby nadawa∏y si´ do przechowywania wi´k-
szych litych fragmentów tkanek.

Regulacje prawne

dotyczàce produktów in˝ynierii

tkankowej sà ciàgle goràcym tematem. W USA ta
metoda wytwarzania narzàdów i tkanek podlega nie-
mal bezwyjàtkowo przepisom Food and Drug Admi-
nistration; oczywiste, ˝e sà one produktami medyczny-
mi, ale poniewa˝ zawierajà tak˝e ˝ywe komórki ludzkie
wytwarzajàce substancje czynne biologicznie, dzia∏ajà
jak leki. A zatem FDA traktuje pierwsze produkty in-
˝ynierii tkankowej – dwie wersje tzw. sztucznej skóry
– jako po∏àczenie materia∏ów sztucznych i ˝ywych.
Uznaje in˝ynieri´ tkankowà za priorytetowà dziedzi-
n´ i pracuje nad okreÊleniem jasnych zasad dotyczà-
cych produktów hybrydowych zawierajàcych sztucz-
ne materia∏y i ˝ywe komórki.

Wierzymy, ˝e badacze i prawnicy wyjaÊnià wszyst-

kie problemy opisane w tym artykule, aby umo˝li-
wiç wprowadzenie na rynek ró˝nych produktów in-
˝ynierii tkankowej w nadchodzàcych latach. Wiele
wyzwaƒ stoi przed naukowcami. KiedyÊ, prawdo-
podobnie za wiele lat, wyposa˝anie pacjentów w na-
rzàdy i tkanki utworzone dzi´ki in˝ynierii tkanko-
wej mo˝e si´ staç równie rutynowe jak obecnie
stosowanie bajpasów.

T∏umaczy∏

Janusz Komender

Â

WIAT

N

AUKI

Czerwiec 1999 55

Informacje o autorach

ROBER S. LANGER i JOSEPH P. VACANTI sà pionierami in˝ynierii tkankowej,

szkolà tak˝e innych naukowców, którzy zainteresowali si´ tà dziedzinà. Langer

jest profesorem Katedry Chemii i In˝ynierii Biomedycznej im. Kennetha J. Germes-

hausena w Massachusetts Institute of Technology. Vacanti jest profesorem Ka-

tedry Chirurgii im. Johna Homansa w Harvard Medical School oraz dyrektorem

Laboratory for Tissue Engineering and Organ Fabrication w Massachusetts Ge-

neral Hospital. Obaj pracujà jako doradcy naukowi w kilku przedsi´biorstwach za-

interesowanych in˝ynierià tkankowà.

Literatura uzupe∏niajàca

TISSUE ENGINEERING.

Robert Langer i Joseph P. Vacanti,

Science, vol. 260, ss. 920-926, 14 V 1993.

ARTIFICIAL ORGANS.

Robert Langer i Joseph P. Vacanti,

Scientific American, vol. 273, nr 3, ss. 100-103, IX/1995.

AN ECONOMIC SURVEY OF THE EMERGING TISSUE ENGINEER-

ING INDUSTRY.

M. J. Lysaght, N. A. P. Nguy i K. Sulli-

van, Tissue Engineering, vol. 4, nr 3, ss. 231-238, jesieƒ

1998.

Biodegradowalny
polimer zr´bu –
w coraz wi´kszym
powi´kszeniu (z lewej
do prawej) – jest
powszechnie
stosowany jako
pod∏o˝e wytwarzanych
tkanek i narzàdów.
Naukowcy poszukujà
lepszych materia∏ów,
które pomog∏yby w
ukszta∏towaniu
biologicznych
i fizycznych w∏asnoÊci
opracowywanych
przez nich produktów.