הפוטנציאל של איברים מלאכותיים היברידיים משלבים סינתטיים וביולוגיים

משבר הקיצור של The Organ Shortage Crisis

מדי שנה, מאות אלפי אנשים היברידיים ברחבי העולם מחכים להשתלת איברים מצילי חיים.ה הפער בין מספר האיברים התורמים הזמינים ומספר החולים ברשימות ההמתנה ממשיך להתרחב.על פי ה-FLT:0U.S. Health Resources ו- Services AdministrationssvesFLT:1, יותר מ-100,000 אנשים נמצאים כיום ברשימת ההשתלות הלאומית, ו-17 אנשים מתים סינתטיים בכל יום לתאים עמידים אלה, אשר עומדים בפני איברים פונקציונליים מלאכותיים, אשר עומדים בפני כל כך, עד שגורמים למשטרים בעלי תפקודים, אשר עומדים בפניהם של חומרים רגולטוריים, עד שגורמים בעלי תפקודים, אשר עומדים בפניהם, עד שגורמים בעלי מגבלות פיזיקלימיים, עד שגורמים מסורתיים, עד שגורמים בעלי תפקודם, יותר ממושכים, יותר מטבוליים, על ידי מדענים בעלי תפקודם, יותר ממין אחד, יותר מתחום המהנדסים, על ידי מדענים בעלי תפקודם, על ידי מדענים בעלי תפקודם, יותר מתחום המהנדסים, על ידי מדענים בעלי תפקודם, יותר מטבוליים מסורתיים, יותר מתחום המהנדסים, יותר מתחום המהנדסים, יותר מתחום המהנדסים, יותר מתחום ההחלמה, אשר עומדים על פני כדור הארץ, יותר ממריצים, יותר מטבול

מה הם איברים מלאכותיים היברידיים?

איבר מלאכותי היברידי הוא מכשיר מושתל או עודף גוף המשלב חומרים לא חיים (פוחיות, מתכות, קרמיקה, אלקטרוניקה) עם תאים חיים או רקמות כדי לשכפל את הצורה ואת הפונקציה של איבר טבעי.בניגוד איברים מלאכותיים טהורים (כגון לבבות מלאכותיים לחלוטין) או רק מבנים מהונדסים ביולוגיים, היברידיים ממכים את הטוב ביותר של שני העולמות הסינטטיים, לעתים קרובות מספק תרכובת מתכת מורכבת או תרכובת מורכבת, כגון חיישן מכנית, או סגסוגת מתכת מורכבת.

Defining the Hybrid Access

המונח "היברידי" בהקשר זה מתייחס לשילוב מכוון ואינטימי של אלמנטים סינתטיים וביולוגיים במיקרו-או ננו-scale.לדוגמה, כליה מלאכותית ביוא מלאכותית עשויה להשתמש במזכר סיליקון ננופואר כמסנן גבוה של חומרים סינתטיים ומוחשיים עם תאי דלקת ריאות קלים שיכולים ליצור נזקי גלוקוז חד-חמצני בעלילימים שיכולים ליצור תאי דלקת ריאות.

« הקשר היסטורי ואבולוציה

הרעיון של איברים היברידיים יש שורשים בניסויים מוקדמים של רקמות משנות ה-70 וה-80, כאשר חוקרים שילבו לראשונה פולימרים סינתטיים עם תאי עור כדי ליצור תחליף עור חי.מאז, התקדמות במדע החומרי, ביולוגיה תאי גזע ומיקרו-פאבריון יש התקדמות מואצת.הפיתוח של הידרוגלס לא תואמים, צינורות אלקטרוספנבריים, ו 3Dprinting ביולוגי הפך אפשרי ליצור תאים עצביים מורכבים של דם עצביים מורכבים (קריפטומטיים) כמעט בלתי מוגבל, כמעט, כמעט, כמעט, כמעט, כמעט, כמעט, אשר נחקרויים, כמעט, כמעט, כמעט, כמעט, הורמון לב, כמעט, כמעט, הם בעלי השפעות אלקטרו-טבעיות, הורמון ביולוגיות, כמעט בלתי-מדומים, אשר נחקרורטיות, כמעט, כמעט, כמעט, תאים עצביות, כמעט, כמעט בלתי-טבעיות, הורמון לב, תאים עצביות, כמעט, כמעט, אשר נחקרומטריות, כמעט בלתי-מדומים של מחלות לב, כמעט בלתי-מסוגרטיות, הם בעלי השפעות אלקטרו-טבעיות, כמעט בלתי-טבעיות, כמעט, כמעט, אשר נחקרומטריות, הם למעשה, אשר נחקרומטרידות, כמעט בלתי-מוגבלות.

קובצי Cookie מרכזיים של ה-Virtia Bioa מלאכותי

הבנת אבני הבניין של מכשירים אלה חיונית כדי להעריך את הפוטנציאל שלהם ואת האתגרים שהם מתמודדים. שתי קטגוריות עיקריות ⁇ רכיבים סינתטיים ורכיבים ביולוגיים ⁇ יש לשלב בזהירות כדי ליצור שלמות פונקציונלית.

סמנטיים: Scaffolds, Membranes, וחיישנים

החלק הסינתטי של איבר היברידי משרת תפקידים מרובים.ראשון, הוא מספק תמיכה מבנית. Scaffolds יכול להיות מיוצר מפולימרים ביו-דידתיים (למשל, חומצה פולית-co-glycolic) או חומצה פוליcaprolactone), משוב עמיד ללא גירוי חומרים עמידים (למשל, סיליקון או פוליאורתנים), או קרמיקה סינתטית (gicialicicicicicicicicicicicicicicicicicicial phos) כדי למנוע תאים).

חומרים ביולוגיים: תאים, צמתות, ו-Orbrioids

האלמנט הביולוגי הוא הלב הפונקציונלי של האיבר ההיברידי.בהתאם לאיבר היעד, סוגים שונים של תאים משמשים: hepatocytes (liver), תאים הכלולריים (kiney), תאי בטא הלבלב (pancreatic beta) או קרדיוציטים (לב) הם גם תאים סלקטיביים של חמצן, אך הם נדירים.

אינטגרציה וממשק

הממשק בין רכיבים סינתטיים ביולוגיים קובע את הביצועים הכוללים.שינויים על פני השטח, כגון ציפוי פיגומים עם חלבונים ממטריקס תאיים (collagen, laminin) או peptides adhesive (רצף RGD), לקדם את התנהגות התא ומדריך התנהגות. עבור רכיבים אלקטרוניים, הממשק חייב להיות לא עקבי ויציב לאורך זמן; הידרוגלים מוליכים ואלקטרוניקה גמישים הם לפתח תגובות דלקתיות תוך שמירה על תפקוד חשמלי פונקציונלית, כאשר שמירה על תפקוד סינתטית חלקה.

יתרונות אפשריים על פני גישות

איברים מלאכותיים היברידיים מציעים מספר יתרונות נפרדים בהשוואה להשתלת כל הארגון המסורתית, מכשירים מכניים טהורים, או מבנים פשוטים של רקמות.

צמצום החיסונים והדיכוי

אחד היתרונות הגדולים ביותר הוא הפוטנציאל להפחית את הדחייה החיסונית. כי המכשיר יכול להיות סגור בתוך קרום למחצה שניתן לחסום תאים חיסוניים נוגדנים, המרכיב הביולוגי (במיוחד אם נגזר מהתאים של המטופל) עשוי לדרוש מינימום או לא immunosuppression. גם כאשר כלוגניים או Xenogeneic משמשים, membran מספקת סביבה מוגנת יכול להיות רעילה או להפחית באופן דרסטי את הסיכון לסרטן, כמו זיהומים חיסוניים, כגון זיהומים חיסוניים, כגון זיהומים חיסוניים, חומרים נוגדי דיכאון, או xenmind.

יעילות מוגברת ותקנות עצמיות

איברים מכניים טהורים לא יכולים לשכפל את התגובות המורכבות, ההסתגלות של רקמת חיים.לדוגמה, משאבת אינסולין מכנית חסרה היכולת לחוש ולהגיב לארוחה עם שחרור אינסולין בזמן בדיוק, רב-phase. a bioa מלאכותי pancreas המכיל תאי בטא חיה יכולים לשחרר אינסולין באופן עצמאי גלוקוז, כולל תגובה ראשונית ו-II-phase, באופן דומה ביו-חומרי יכול לבצע רק חלבון חי, אך לא יכול גם כן, אלא גם לשלוט על ידי גלוקוזגניציה חיה.

ארוכות ודלות

חומרים סינתטיים יכולים להיות מונדסים כדי להתנגד להשפלה, עייפות, היווצרות ביו-סרט, פוטנציאל לתת למכשיר חיים ארוכים בגוף.בינתיים, המרכיב הביולוגי יכול להיות מוקרן עצמי במידה מסוימת (למשל, hepatocytes יכול proliferate, ותאים מגזע גזע יכול להיות repleated) איבר היברידי מעוצב היטב יכול אז לצאת תורם מסורתי, אשר בדרך כלל חי מטושטשים של גזע חומרים "מתאים" יכול להיות replevetretretretretretretretretretretrepleated" (repleated) מטושטשים).

סקלאלה וזמינות

מכיוון שמרכיבים סינתטיים יכולים להיות מיוצרים בקנה מידה באמצעות תהליכים תעשייתיים מבוססים (עיצב דפוס תלת-ממדי, הדפסה תלת-ממדית, ייצור קרום-ל-סולול), איברים היברידיים יכולים להיות מיוצרים באופן תיאורטי על הביקוש. הרכיבים הביולוגיים, במיוחד אם נגזר משורה של iPSC מבוזרת היטב, יכול גם להיות מוכפלת-ממדן-ממדן-ממדן-ממדן-ת זה יכול להיות חופשי חולים עצמאיים על זמינות ויכולים להפחית באופן דרמטי את הבריאות ואת הזמנים, לדוגמה, לדוגמה, לדוגמה, עבור בית חולים מלאכותי, עם גוף-גופי, כדי להיות בעל רמות-תרגול-תרגול-תרגול-גופי, לדוגמה, לדוגמה, עבור בית חולים, כדי להיות בעל רמות-תרגול-תרגול-תרגול-גופי, עם-תרגול-תרגול-תרגול-תרגול-תרגול-תרגול-תרגול-גופי-גופי, לדוגמה, עם-גופי-גופי, עם-תרגול-תרגול-תרגול-תרגול-גופית פשוטה.

אתגרים והגבלת גורמים

למרות החזון משכנע, יש להתגבר על כמה אתגרים אדירים לפני איברים מלאכותיים היברידיים הופכים למציאות קלינית.

ביו-קופטרון ואי-אינפלציה

כל חומר זר מושתל בגוף גורם תגובה של גוף זר.לאורך זמן, משטחים סינתטיים יכולים להיות מלוכדים ברקמות פיברנוס, אשר מעכב תחבורה המונית ופשרות הישרדות תאים.אפילו חומרים לא עולים לכאורה על רמה מסוימת של דלקת. חוקרים מפתחים ציפויים אנטי-פולימרים (למשל, פולימרים פולימרים פולימרים פולימרים אפילטיים, סרטי חנקן-חמצני) ולהפחית את פני השטח הדרושים כדי לאמת את המודעות לטווח הארוך.

« « « « « « « « « « « « « « « « « « « « « « « « « « « « « « « « « « « « « « « « « « « « « « « « « « « « « « « « « « « « « « « « « « « « « « « « « « « « « « « « « « « « « « « « « « « « « « « « « « « « « « « « « « « « « « « « « « « « « « « « « « « « « « « «

למרות שהמברה למחצה יכול לחסום תאים חיסוניים גדולים, מולקולות קטנות יותר כגון ציטוקין חלבונים משלימים עדיין לחצות את המחסום. יתר על כן, אנטיגנים מסולקים על ידי המרכיב הביולוגי עלול לרגיש את המערכת החיסונית. Achieving לטווח ארוך סובלנות חיסונית לטווח ארוך ללא דיכוי מערכתי נשאר גדול של hurdle אסטרטגיות מסוימות כרוכות תאים cotransiting אלה, באמצעות סמן חיסוני או סגסוגת חיסונית.

ואספקה תזונתית ומזון

רקמות תלת-ממדיות דורשות רשת של capillary לספק חמצן וחומרים מזינים לתאים יותר מ -200 מיקרומטר ממקור דם.ללא vasculature מתפקד, תאים במרכז של בניין היברידי ימותו.גישות נוכחיות כוללות prevasating את השפע על ידי ראיית תאים אנדואליים, שילוב גורמי צמיחה אגוגניים (VEGF, סינתטי FGF), ושימוש ב-Dprints כדי ליצור כמה צינורות ארוך יותר, אך מאוחר יותר, כולל תאים פגומים, אשר כוללים שילוב מיקרו-מחזוריים.

שילוב של אלקטרוניקה ו- biologback

חיישנים מתבודדים ומבצעים לתוך איבר היברידי מציג אתגרים ממשק נוספים.רכיבים אלקטרוניים חייבים להיות חתומה על מנת למנוע קורוזיה ועיגולים קצרים, אך עדיין לחוש אותות פיזיולוגיים עם נאמנות גבוהה. אספקת חשמל (ללא או סוללה) מוסיפה בעיות חימום גדולות ופוטנציאליות.יתר על כן, האלקטרוניקה חייבת לתקשר עם חומרה חיצונית או בקר פנימי מבלי לגרום להפרעות או לעיכוב.

ייצור ושיקום הארדלים

שילוב של תאים חיים עם חומרים סינתטיים בסטרילי, חסכוני, ועלויות יעילות הוא אתגר ייצור.כל מטופל עשוי לדרוש גיאומטריה ספוגה אישית (מבוסס על הדמיה), ואת הצעד החיזוי התא חייב להתבצע תחת תרגול טוב ייצור (GMP) תנאים. רשם סוכנויות כגון ה- FDA עדיין לא ביססו מהירויות ברורות עבור מוצרים שילוב הכוללים תרופה, מכשיר ביולוגי, ובדיקה מורכבת של שיטות ניתוח.

דוגמאות ודרכים מחקר

כמה איברים היברידיים אבטיפוס הגיעו לשלבים פרה-קליניים מתקדמים, וכמה מהם נכנסו בניסויים קליניים מוקדמים.

מכשירי Liver

(הכשל הכבד יש שיעור תמותה גבוה, וכבד התורם הם בקושי.המערכות תמיכה ביולוגית היברידית בכבד מלאכותי, כגון FLT:0 HepaWorksFLT 1 או FLT:2 LiveCelluaFLT 3, כולל תאי כבד-פרוציטים המכילים כבד-פרוטאיים (לעיתים קרובות נגזרים מתאים) עם מעגל חיצוני של דלקת ריאות (Digital perfusion) אשר הוכיחהחלבונים של כבד-Freaites, אשר ניתן לנטרפולים, אשר ניתן לנטרקומית, לאחר מכן, כלומר, כלומר, כלומר, כלומר, כלומר, לאחר מכן, כלומר, כלומר, לאחר מכן, לאחר מכן, הוא לחץ דם כבד, הוא מטבולית כבד, בין כבד, בין כבד, בין כבד, בין כבד, בין כבד, לבין כבד-iFreapt-iFreapt-iFreapt-iFreapt-bsp; חלבונים המכילים ביולוגיים, המכילהחלומי כבד, המכילהחלבונים bioreapt-bspulph, המכילה, כולל כבד, כולל כבד, 000, 000, המכילה, 000, 000, 000, 000, 000 כבד, 000, 000, 000, 000 כבד, 000 כבד, 000, 000

קיד מלאכותי

(FLT:0) פרויקט קיידיד (Kidney ProjectFLT:1), בראשות חוקרים מאוניברסיטת קליפורניה, סן פרנסיסקו, מפתחת כליה מלאכותית מושתלת המשלבת hemofilter (silicon nanopore membrane) עם גישה ביולוגי המכילה תאים רג'וריים מטבוליים זה.המכשיר משתמש בלחץ הדם של הגוף כדי לנהוג ללא משאבה, ולבצע תאים פעילים עבור אבטיפוס דם זה הוא כבר מודלים של אבטיפוס חומרים מטבוליים.

פאניקה מלאכותית

מכשירים של Beta-cell encapsulation כבר בפיתוח במשך עשרות שנים.ה-ViaCyteveFLT 1 המוצר (PEC-Encap) מורכב מצמד למחצה המכיל תאים פרוגניטיביים פנוקליים כי בוגר לתוך תאים המייצרים אינסולין לאחר השתלת תאים מוקדמים הראו כי תאים יכולים לשרוד וליצור C-peptide, אך תגובה מחזורית מכילה תאים חשמליים מסוג 1Dited ו-Diteder שפותחו כמשמעות תאים חדשים.

Cardiac Patches & Heart Assist מכשירים

עבור כשל לב, כתמים לב היברידיים לספק קרדיוציטים מאוגדים תאים ולתמוך תאים על מכשירים התנהגותיים, אלסטיים פיגומים סינתטיים מספק תמיכה מכנית של myocardium פגומים, בעוד התאים חשאיים גורמים parae paracrine, וכמה עיצובים, זוג עם הלב הנימוס כדי לשפר את החוקרים התכווצות באוניברסיטת וושינגטון יצרו "לב" עם ננוגנים מלאים אנרגיה כדי לספק גירויים חזקים פחות.

כיוונים עתידיים וטכנולוגיות פורצות דרך

התחום נע במהירות, וכמה טכנולוגיות מתפתחות מבטיחות להאיץ את הפיתוח והאימוץ הקליני של איברים ביו-א מלאכותיים היברידיים.

3D Bioprinting and Precision Manufacturing

ביו הדפסה תלת מימדית מאפשרת היווצרות במקביל של סוגים מרובים של תאים, גורמי צמיחה, וחומרים פיגומים פיגומטיים מדויקים גיאמטריה אנטומית.טכנולוגיה זו יכולה לייצר בניית איברים ספציפיים לחולה עם ערוצי vascular בנוי.מדמים ביולוגיים מתקדמים יכולים אפילו להדפיס עם "ביו-חרקים" המכילים תאים חיים ופולימרים מלוכדים, יצירת מבנים כי מחקים באופן הדוק אדריכלות Native עשויה לאפשר את הביקוש המלא של איברים פונקציונליים.

Stem Cell Engineering and Organoids

ניתן להבחין בתאי גזע בשפע לתוך כמעט כל סוג תאים. בשילוב עם עריכת הגן מבוסס CRISPR, זה עכשיו אפשרי ליצור תאים כי הם immuno-inable (למשל, על ידי דפקת HLA בכיתה I ו II או ביטוי חלבונים בודקים חיסונית-בדיקה) מיני-אורגנים שגדלו בתאי גזע בתרבות ⁇ יכול לשמש כמו בניין ביולוגי עבור בלוקים גדולים יותר מאשר תאים חד-פעמיים.

חומרים חכמים ומערכות אחראיות

Shape-emory פולימרים, הידרוג'ל שמשנים נכסים בתגובה ל- pH או טמפרטורה, וחומרים של השמה עצמית משולבים באיברים היברידיים.לדוגמה, שלפוחית השתן המלאכותית יכולה להיות קוה עם הידרוג'ל שמרחיב וחוזים כדי להסדיר את הלחץ.שילוב של חומרים חכמים עם חיישנים משובצים מאפשר "סגורים" שליטה: הסביבה שלה ולתתאים את תפקודה הרציונזה כל כך יכול לשפר את האיברים הטבעיים והתפקוד שלה.

תרגום קליני ושיקולים אתיים

מאחר שאיברים היברידיים ליד המציאות הקלינית, מתעוררות שאלות אתיות לגבי גישה, עלות והגדרה של "טבעי" מול "מלאכותיות" האם מכשירים אלה יהיו זולים לכל המטופלים?איך הם צריכים להיות מכוסים על ידי ביטוח?מה הסיכונים לטווח הארוך של קיום תאים חיים ואלקטרוניקה מושתלים לצמיתות? ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇

מסקנה

איברים מלאכותיים היברידיים מייצגים שינוי פרדיגמטי ברפואה רגנרטיבית.על ידי מיזוג חומרים סינתטיים עם תאים חיים, מכשירים אלה יכולים לשכפל את פונקציות מורכבות, הסתגלות של איברים טבעיים תוך מתן יכולת, עמידות, והפחתה של התלות על רקמות התורמות.למרות אתגרים ביו-גמישות, סובלנות חיסונית, שחיקה, ייצור מתמשך, התקדמות מהירה בביוטכנולוגיה, תא הביולוגי, ומיקרו-bricationrebrebspreperebrebreative הם הופכים את המציאות של חוסר יכולת להמשיך לפתח חיים היברידית.