Tissue Engineering in Urological and Gynaecological Applications
Sartoneva, Reetta (2014)
Sartoneva, Reetta
Tampere University Press
2014
Kudosteknologia - Tissue Engineering
Biolääketieteellisen teknologian yksikkö - Institute of Biomedical Technology
This publication is copyrighted. You may download, display and print it for Your own personal use. Commercial use is prohibited.
Väitöspäivä
2014-08-22
Julkaisun pysyvä osoite on
https://urn.fi/URN:ISBN:978-951-44-9511-3
https://urn.fi/URN:ISBN:978-951-44-9511-3
Tiivistelmä
Urologisten ja gynekologisten sovellusten kudosteknologiaa
Kudosteknologisista hoitomuodoista on kehittymässä potentiaalinen vaihtoehto urologisiin ja gynekologisiin sovellutuksiin. Virtsaputken alahalkio (hypospadia) on yleisin peniksen synnynnäinen epämuodostuma, jossa virtsaputken kehitys on jäänyt kesken niin, että virtsaputki avautuu ventraalisesti terskan ja välilihan väliselle alueelle. Nykykäytäntö on, että hypospadia hoidetaan muotoilemalla potilaalle puuttuva osa virtsaputkea genitaalialueen kudoksista esimerkiksi esinahasta. Vakavimmissa tapauksissa voidaan käyttää genitaalialueen ulkopuolisia kudoksia, kuten posken limakalvosiirrettä, ja etenkin nämä toimenpiteet ovat erittäin herkkiä leikkauksen jälkeisille komplikaatioille kuten arpeutumiselle, ihoavanteille ja huonolle kosmeettiselle lopputulokselle. Tämän vuoksi uusien hoitomenetelmien ja vaihtoehtoisten siirremateriaalien kehittäminen on tärkeää. Tähän mennessä uroteelin kudosteknologisiin sovellutuksiin on eri tutkimuksissa testattu erilaisia luonnonperäisiä ja synteettisiä biomateriaaleja kuten soluttomia kollageenipohjaisia materiaaleja, polylaktidia ja polyglykolidia. Kuitenkaan optimaalista biomateriaalia uroteelisovellutuksiin ei ole vielä kehitetty. Uroteelisovellutuksia varten biomateriaalin pitäisi olla biohajoava, bioyhteensopiva, elastinen, helposti käsiteltävä leikkauksen yhteydessä ja sen tulisi tukea uroteelisolujen kasvua sekä virtsaputken rakennetta. Kriittistä myös on, että biomateriaali ei aiheuta haitallista tulehdus reaktiota kudoksessa.
Nykyisin virtsainkontinenssin kirurgisessa hoidossa käytetään ensisijaisesti nauhaleikkauksia, jossa polypropyleeninauha asetetaan virtsaputken alle. On kuitenkin tärkeä kehittää hoitokeinoja, jotka olisivat vähemmän invasiivisia kuin kirurgiset tekniikat. Ponnistusinkontinenssin hoidossa on aiemmin käytetty myös virtsaputkea ja virtsaputken sulkijan aluetta ahtauttavia ja tiivistäviä injektiohoitoja, joissa esimerkiksi kollageeni- tai polyakryyliamidi hydrogeeliä ruiskutetaan virtsaputken alle. Ongelmana näissä hoidossa on ollut hoitotuloksen heikkeneminen ajan myötä, joten uusintainjektioita on tarvittu ylläpitämään hoitotulosta. Kudosteknologinen injektio, jossa biomateriaaligeeliä ja soluja käytetään yhdessä, voisi olla potentiaalinen tulevaisuuden hoitokeino virtsainkontinenssista kärsiville potilaille. Rasvasta eristetyt kantasolut ovat houkutteleva solulähde inkontinenssihoitoihin, sillä rasvakudosta on saatavilla runsaasti. Rasvakudoksen kantasolujen on myös todettu erilaistuvan lihassolujen suuntaan, mikä lisää niiden soveltuvuutta solulähteenä lihaskudoksen korjaamiseen ja ponnistusinkontinenssin injektiohoitoihin.
Tämä väitöskirjatyö koostuu kahdesta erillisestä osiosta. Ensimmäisessä osiossa tutkittiin luonnonperäisen vesikalvon ja synteettisten polykaprolaktoni-polylaktidi komposiittikalvon sekä sileän ja teksturoidun polykaprolaktonikalvon soveltuvuutta uroteelisolujen, eli virtsateiden epiteelisolujen, kasvatusalustaksi in vitro. Työn toisessa osuudessa tutkimme soveltuvatko rasvakudoksen kantasolut yhdistettynä kollageenigeeliin virtsainkontinenssin hoitoon kliinisessä pilotti potilastutkimuksessa.
Työn ensimmäisessä vaiheessa havaitsimme, että amnionkalvo ei tukenut uroteelisolujen jakautumista, elinkykyä ja fenotyyppin pysyvyyttä verrattuna polykaprolaktonikalvoon. Kaikilla tutkituilla synteettisillä kalvoilla uroteelisolut olivat elinkykyisiä ja säilyttivät fenotyyppinsä. Kuitenkin komposiitti kalvolla uroteelisolut jakautuivat hieman hitaammin kuin sileällä ja teksturoidulla polykaprolaktonikalvolla. Kliinisessä pilottitutkimuksessa totesimme, että rasvakudoksen kantasolut yhdessä kollageenin kanssa ovat turvallinen ja kohtalaisen tehokas hoitokeino käytettäväksi virtsainkontinenssin hoitoon. Lisäksi totesimme, että potilailta eristetyt rasvakudoksen kantasolut erilaistuvat lihas-, rasva-, luu- ja rustosolujen suuntaan in vitro.
Yhteenvetona voidaan todeta, että tutkimusten perusteella polykaprolaktoni on potentiaalinen biomateriaali uroteelin kudosteknologisiin sovelluksiin. Lisätutkimuksia kuitenkin tarvitaan, jotta voidaan arvioida polykaprolaktonin käytettävyyttä ja bioyhteensopivuuttaa in vivo. Lisäksi myös kudosteknologiset injektiohoidot ovat lupaavia uusia menetelmiä virtsainkontinenssin hoitoon tulevaisuudessa. The tissue engineering applications has emerged as a new potential treatment method for urological and gynaecological applications. Hypospadia is the most common congenital malformation of penis, where the urethra opens ventrally to the shaft of penis or even perineum. The hypospadias are traditionally reconstructed using patients’ own genital tissue, or in severe cases non-urological graft tissue is used. However, the operations are susceptible to complications, especially in severe cases and when non-urological tissue is used. The most common complications are strictures, fistula formation and poor cosmetic outcome. Therefore, the development of alternative treatment methods is essential. Thus far, different natural and synthetic biomaterials, such as different acellular collagen based membranes, polylactide (PLA) and polyglycolide (PGA) have been studied as a growth surface for urothelial cells. However, the optimal biomaterial for urothelial applications has not been found yet. The biomaterial should be biodegradable, biocompatible, elastic, easy to handle and suture, support the urothelial cell growth and the structure of the de novo urethra. Further, the biomaterial should not evoke inflammatory tissue reaction.
Nowadays, the first-line surgical treatment for urinary incontinence is the mid-urethral sling operation, though, the development of injectable bulking agents is also important in order to obtain less invasive treatments. Previously, collagen and polyacrylamide hydrogel have been used as a bulking agent to treat stress urinary incontinence. Nevertheless, the sustainability of the treatment effect has been a major problem and additional injections have been required. Therefore, tissue engineering based injection therapies using stem cells, aiming regeneration of the damaged tissue, could solve the sustainability problem. Adipose stem cells (ASCs) isolated from adipose tissue are an attractive cell source due to their abundance. Further, ASCs are known to differentiate towards myogenic cell lineages, and therefore being potential to regenerate the muscle tissue and treat urinary incontinence.
This thesis is composed of two different parts. First, we studied the use of human amniotic membrane (hAM) and different synthetic biomaterial membranes, smooth (s) poly-(L-lactide-ε-co-caprolactone) (PLCL), textured (t) PLCL and knitted PLA mesh with compression moulded PLCL (cPLCL) as a growth surface for urothelial cells in vitro. In the second part, we evaluated the suitability of ASCs in combination with collagen gel to treat urinary incontinence in a clinical pilot study.
In the first part, the hAM did not support the hUCs proliferation, viability and phenotype compared to the PLCL. However, on all the studied synthetic biomaterials the hUCs maintained their viability and phenotype. Further, the cPLCL supported the hUCs proliferation slightly poorer compared to the sPLCL and tPLCL. In our clinical pilot study we demonstrated that ASCs in combination with collagen gel is a safe and moderately effective treatment method for female urinary incontinence. Further, ASCs derived from the treated patients were confirmed to differentiate towards myogenic, adipogenic, osteogenic and chondrogenic cell lineages in vitro.
In conclusion, PLCL membrane could be a potential biomaterial for urothelial tissue engineering.
However, further research is needed to evaluate the in vivo applicability and biocompatibility of PLCL. Finally, tissue engineering based injection treatments with ASCs could be potential to treat female urinary incontinence in the future.
Kudosteknologisista hoitomuodoista on kehittymässä potentiaalinen vaihtoehto urologisiin ja gynekologisiin sovellutuksiin. Virtsaputken alahalkio (hypospadia) on yleisin peniksen synnynnäinen epämuodostuma, jossa virtsaputken kehitys on jäänyt kesken niin, että virtsaputki avautuu ventraalisesti terskan ja välilihan väliselle alueelle. Nykykäytäntö on, että hypospadia hoidetaan muotoilemalla potilaalle puuttuva osa virtsaputkea genitaalialueen kudoksista esimerkiksi esinahasta. Vakavimmissa tapauksissa voidaan käyttää genitaalialueen ulkopuolisia kudoksia, kuten posken limakalvosiirrettä, ja etenkin nämä toimenpiteet ovat erittäin herkkiä leikkauksen jälkeisille komplikaatioille kuten arpeutumiselle, ihoavanteille ja huonolle kosmeettiselle lopputulokselle. Tämän vuoksi uusien hoitomenetelmien ja vaihtoehtoisten siirremateriaalien kehittäminen on tärkeää. Tähän mennessä uroteelin kudosteknologisiin sovellutuksiin on eri tutkimuksissa testattu erilaisia luonnonperäisiä ja synteettisiä biomateriaaleja kuten soluttomia kollageenipohjaisia materiaaleja, polylaktidia ja polyglykolidia. Kuitenkaan optimaalista biomateriaalia uroteelisovellutuksiin ei ole vielä kehitetty. Uroteelisovellutuksia varten biomateriaalin pitäisi olla biohajoava, bioyhteensopiva, elastinen, helposti käsiteltävä leikkauksen yhteydessä ja sen tulisi tukea uroteelisolujen kasvua sekä virtsaputken rakennetta. Kriittistä myös on, että biomateriaali ei aiheuta haitallista tulehdus reaktiota kudoksessa.
Nykyisin virtsainkontinenssin kirurgisessa hoidossa käytetään ensisijaisesti nauhaleikkauksia, jossa polypropyleeninauha asetetaan virtsaputken alle. On kuitenkin tärkeä kehittää hoitokeinoja, jotka olisivat vähemmän invasiivisia kuin kirurgiset tekniikat. Ponnistusinkontinenssin hoidossa on aiemmin käytetty myös virtsaputkea ja virtsaputken sulkijan aluetta ahtauttavia ja tiivistäviä injektiohoitoja, joissa esimerkiksi kollageeni- tai polyakryyliamidi hydrogeeliä ruiskutetaan virtsaputken alle. Ongelmana näissä hoidossa on ollut hoitotuloksen heikkeneminen ajan myötä, joten uusintainjektioita on tarvittu ylläpitämään hoitotulosta. Kudosteknologinen injektio, jossa biomateriaaligeeliä ja soluja käytetään yhdessä, voisi olla potentiaalinen tulevaisuuden hoitokeino virtsainkontinenssista kärsiville potilaille. Rasvasta eristetyt kantasolut ovat houkutteleva solulähde inkontinenssihoitoihin, sillä rasvakudosta on saatavilla runsaasti. Rasvakudoksen kantasolujen on myös todettu erilaistuvan lihassolujen suuntaan, mikä lisää niiden soveltuvuutta solulähteenä lihaskudoksen korjaamiseen ja ponnistusinkontinenssin injektiohoitoihin.
Tämä väitöskirjatyö koostuu kahdesta erillisestä osiosta. Ensimmäisessä osiossa tutkittiin luonnonperäisen vesikalvon ja synteettisten polykaprolaktoni-polylaktidi komposiittikalvon sekä sileän ja teksturoidun polykaprolaktonikalvon soveltuvuutta uroteelisolujen, eli virtsateiden epiteelisolujen, kasvatusalustaksi in vitro. Työn toisessa osuudessa tutkimme soveltuvatko rasvakudoksen kantasolut yhdistettynä kollageenigeeliin virtsainkontinenssin hoitoon kliinisessä pilotti potilastutkimuksessa.
Työn ensimmäisessä vaiheessa havaitsimme, että amnionkalvo ei tukenut uroteelisolujen jakautumista, elinkykyä ja fenotyyppin pysyvyyttä verrattuna polykaprolaktonikalvoon. Kaikilla tutkituilla synteettisillä kalvoilla uroteelisolut olivat elinkykyisiä ja säilyttivät fenotyyppinsä. Kuitenkin komposiitti kalvolla uroteelisolut jakautuivat hieman hitaammin kuin sileällä ja teksturoidulla polykaprolaktonikalvolla. Kliinisessä pilottitutkimuksessa totesimme, että rasvakudoksen kantasolut yhdessä kollageenin kanssa ovat turvallinen ja kohtalaisen tehokas hoitokeino käytettäväksi virtsainkontinenssin hoitoon. Lisäksi totesimme, että potilailta eristetyt rasvakudoksen kantasolut erilaistuvat lihas-, rasva-, luu- ja rustosolujen suuntaan in vitro.
Yhteenvetona voidaan todeta, että tutkimusten perusteella polykaprolaktoni on potentiaalinen biomateriaali uroteelin kudosteknologisiin sovelluksiin. Lisätutkimuksia kuitenkin tarvitaan, jotta voidaan arvioida polykaprolaktonin käytettävyyttä ja bioyhteensopivuuttaa in vivo. Lisäksi myös kudosteknologiset injektiohoidot ovat lupaavia uusia menetelmiä virtsainkontinenssin hoitoon tulevaisuudessa.
Nowadays, the first-line surgical treatment for urinary incontinence is the mid-urethral sling operation, though, the development of injectable bulking agents is also important in order to obtain less invasive treatments. Previously, collagen and polyacrylamide hydrogel have been used as a bulking agent to treat stress urinary incontinence. Nevertheless, the sustainability of the treatment effect has been a major problem and additional injections have been required. Therefore, tissue engineering based injection therapies using stem cells, aiming regeneration of the damaged tissue, could solve the sustainability problem. Adipose stem cells (ASCs) isolated from adipose tissue are an attractive cell source due to their abundance. Further, ASCs are known to differentiate towards myogenic cell lineages, and therefore being potential to regenerate the muscle tissue and treat urinary incontinence.
This thesis is composed of two different parts. First, we studied the use of human amniotic membrane (hAM) and different synthetic biomaterial membranes, smooth (s) poly-(L-lactide-ε-co-caprolactone) (PLCL), textured (t) PLCL and knitted PLA mesh with compression moulded PLCL (cPLCL) as a growth surface for urothelial cells in vitro. In the second part, we evaluated the suitability of ASCs in combination with collagen gel to treat urinary incontinence in a clinical pilot study.
In the first part, the hAM did not support the hUCs proliferation, viability and phenotype compared to the PLCL. However, on all the studied synthetic biomaterials the hUCs maintained their viability and phenotype. Further, the cPLCL supported the hUCs proliferation slightly poorer compared to the sPLCL and tPLCL. In our clinical pilot study we demonstrated that ASCs in combination with collagen gel is a safe and moderately effective treatment method for female urinary incontinence. Further, ASCs derived from the treated patients were confirmed to differentiate towards myogenic, adipogenic, osteogenic and chondrogenic cell lineages in vitro.
In conclusion, PLCL membrane could be a potential biomaterial for urothelial tissue engineering.
However, further research is needed to evaluate the in vivo applicability and biocompatibility of PLCL. Finally, tissue engineering based injection treatments with ASCs could be potential to treat female urinary incontinence in the future.
Kokoelmat
- Väitöskirjat [4754]