Julkaistu numerossa 3/2011

Kudosteknologian biomateriaalit – Räätälöidyistä materiaaleista ihmisen varaosiksi

soluja

Biomateriaaleilla on merkittävä rooli kudosteknologisten menetelmien kehityksessä, koska solut tarvitsevat kolmiulotteisen tukirangan, skaffoldin, kasvaakseen ja erilaistuakseen toimivaksi kudokseksi. Yhdistämällä soluja biomateriaaliskaffoldiin voidaan tulevaisuudessa kasvattaa erilaisia kehon kudoksia ja jopa kokonaisia elimiä.

Kudosteknologia on uusi tieteenala, jossa biologisia ja insinööritieteitä sovelletaan toiminnallisten kudoskorvikkeiden kehittämiseksi. Vamman tai sairauden johdosta vaurioituneen tai tuhoutuneen kudoksen korvaamiseen tai korjaamiseen tarvitaan usein kudosteknologisia menetelmiä. Näissä potilaan omista soluista ja niiden luontaista elinympäristöä jäljittelevästä biomateriaalista kasvatetaan uutta ja tervettä kudosta. Kudosteknologia voi nousta lääketieteen seuraavaksi merkittäväksi edistysaskeleeksi antibioottien ja kirurgian jälkeen.

Skaffoldi on soluja tukeva huokoinen tukiranka

Biomateriaaleilla on merkittävä rooli kudosteknologisten menetelmien kehityksessä. Solut, joita terveessä kudoksessa ympäröi niitä tukeva soluväliaine, eivät kykene kasvamaan toiminnallisiksi kudoksiksi ilman erityistä kolmiulotteista ja huokoista tukirankaa, skaffoldia. Tämän tulee jäljitellä terveen kudoksen soluväliainetta sekä ohjata ja stimuloida solujen kasvua kohti toiminnallista kudosta.

Skaffoldi on tehty hajoamaan biologisesti elimistöstä tai kasvatusreaktorista, kun tuotettu kudos on riittävän kehittynyttä. Lopputuloksena on alkuperäisen kudoksen kaltainen laboratoriossa kasvatettu eli regeneroitu kudos. Jotta viljellyt solut kasvaisivat skaffoldin sisään ja alkaisivat tuottaa kudoksen omia rakenneosia, on rakenteen oltava riittävän huokoinen ja muistutettava solujen luontaista ympäristöä.

Kudosteknologian biomateriaalit ovat kudosperäisiä tai synteettisiä

Kudosteknologiassa käytettävät biomateriaalit voidaan jakaa alkuperänsä mukaan kahteen luokkaan: biologisiin ja synteettisiin (kuvio 1). Biologisista eli luonnosta peräisin olevista materiaaleista hyödynnetään kudosteknologiassa yleisimmin soluväliaineen muodostavia biokemiallisia rakenteita. Synteettisten materiaalien kirjo sisältää polymeerejä, biokeraameja ja yhdistelmämateriaaleja eli komposiitteja.

Koska kollageenia ja hyaluronihappoa on nisäkkäiden elimistössä, on niiden hyödyntäminen kudosten kasvattamisen alustaksi ollut luonnollinen lähestymistapa kudosteknologiassa. Niiden biologinen aktiivisuus on erinomainen, mutta hajoamisnopeus ja mekaaniset ominaisuudet voivat vaihdella merkittävästi varsinkin, jos ne on valmistettu eristämällä kudoksista. Myös materiaalien saatavuuden ja tasalaatuisuuden ylläpitäminen voi olla haastavaa. Siksi myös synteettisten materiaalien kehittämisestä ja hyödyntämisestä kudosteknologisissa sovelluksissa ollaan kiinnostuneita.

Synteettisistä materiaaleista tunnetuimmat ovat biohajoavat polymeerit kuten polylaktidit ja biokeraamit kuten hydroksiapatiitti, trikalsiumfosfaatti sekä bioaktiivinen lasi. Polylaktidit ovat maitohaposta valmistettuja ”biomuoveja”, joiden ominaisuuksia voidaan helposti muokata jäykästä ja sitkeästä joustavaksi ja pehmeäksi. Vesimolekyylit pilkkovat polylaktidien rakennetta ja hajoamistuotteet poistuvat elimistöstä pääosin aineenvaihdunnan kautta. Polylaktidien biohajoamisen nopeus voidaan nykyään tarkasti ennakoida (Ellä ym. 2011, Paakinaho ym. 2011).

Kudosteknologiassa hyödynnettävien biokeraamien erityisominaisuus on osteokonduktiivisuus eli ne edistävät luun kasvua pintaansa pitkin ja rakenteeseensa sisään. Näitä bioaktiivisia ja biohajoavia keraameja onkin käytetty erityisesti luun kudosteknologiassa.

Kudosteknologian biomateriaalit

Biomateriaalien ja skaffoldien kehityksellä kohti kliinisiä sovelluksia

Ensimmäiset tutkitut kudosteknologian sovellukset perustuivat solujen viljelyyn biomateriaaliin elimistön ulkopuolella fysiologista ympäristöä matkivassa bioreaktorissa. Tällainen kudosteknologinen tuote on usein hidas toteuttaa ja vaatii tyypillisesti potilaan leikkaamista useampaan kertaan. Samoin solujen viljelyvaihe monimutkaistaa tuotteistamisen viranomaiskäsittelyä.

Nykyään halutaan pyrkiä hoitoihin, jotka voidaan toteuttaa yhdessä leikkauksessa, jolloin soluja ei tarvitsisi kasvattaa laboratoriossa. Tällainen tuote on ennemmin lääkinnällinen laite. Esimerkiksi akuuttiin vammaan kudosteknologista implanttia voidaan tarvita nopeasti, jolloin materiaalien ja huokosrakenteen pitäisi olla räätälöity siten, että solut helposti tunkeutuvat skaffoldiin sitä ympäröivästä terveestä kudoksesta. Skaffoldin tulisi lisäksi olla helposti käsiteltävä ja muotoiltava. Tällaisiin ominaisuuksiin päästään yhdistämällä komposiitiksi synteettistä ja biologista ainetta. Näin voidaan tulevaisuudessa luoda toiminnallisesti räätälöityjä biohajoavia materiaaleja jopa kokonaisten elinten kasvattamiseen.

Kaarlo Paakinaho Minna Kellomäki
Tutkija, DI

Biolääketieteen tekniikan laitos. Tampereen teknillinen yliopisto
Professori, TkT

Biolääketieteen tekniikan laitos, Tampereen teknillinen yliopisto

Kirjallisuutta:

Ellä V, ym. Process-induced monomer on a medical-grade polymer and its effect on short-term hydrolytic degradation. Journal Appl Polymer Sci 2011; 119: 2996–3003.



Paakinaho K, ym. Effects of lactide monomer on the hydrolytic degradation of poly(lactide-co-glycolide) 85L/15G.



J Mech Behav Biomed Mater 2011; 4: 1283-90.