biomaterijali - core.ac.uk

BIOMATERIJALI
DRUŠTVO ZA ISTRAIVANJE MATERIJALA
BBIOMATERIJALI.indb 3BBIOMATERIJALI.indb 3 9/29/2009 1:33:34 AM9/29/2009 1:33:34 AM
Grupa autora BIOMATERIJALI Urednici PROF. DR DEJAN RAKOVI PROF. DR DRAGAN USKOKOVI prvo izdanje Izdavai
INSTITUT TEHNIKIH NAUKA SRPSKE AKADEMIJE NAUKA I UMETNOSTI Knez Mihailova 35/IV, Beograd http://www.itn.sanu.ac.rs
DRUŠTVO ZA ISTRAIVANJE MATERIJALA http://www.mrs-serbia.org.rs Za izdavae PROF. DR DRAGAN USKOKOVI Recenzenti PROF. DR URO KORUGA PROF. DR MIODRAG ZLATANOVI Tehniki urednik ELJKO HREK Izdava se zahvaljuje Zavodu za izdavanje udbenika i nastavnih sredstava za finansijsku pomo prilikom štampanja ove knjige Copyright © 2010 INSTITUT TEHNIKIH NAUKA SRPSKE AKADEMIJE NAUKA I UMETNOSTI CIP - , 66.017/.018(075.8) 615.46(075.8) BIOMATERIJALI / [Igor Bala ... et al.]; urednici Dejan Rakovi, Dragan Uskokovi. - Beograd: Institut tehnikih nauka Srpske akademije nauka i umetnosti: Društvo za istraivanje materijala, 2010 (Beograd: Draslar partner). - 868 str.: ilustr.; 28 cm Podaci o autorima preuzeti sa korica. – Tira 500. - Ispitna teorijska pitanja: str. 865-868. - Ispitna test pitanja: str. 841-864. - Bibliografija uz svako poglavlje. ISBN 978-86-80321-23-3 1. , , 1971 - [] a) b) COBISS.SR-ID 173688332
5
SADRAJ
PREDGOVOR ....................................................................................................................................11
I OSNOVNI BIOMEDICINSKI KONCEPTI I REAKCIJE
ORGANIZMA NA BIOMATERIJALE
4. PROCESI ZAPALJENJA I ZARASTANJA ...................................................................................97 4.1 Procesi zapaljenja .............................................................................................................. 99 4.2 Procesi zarastanja ..........................................................................................................111 4.3 Pitanja za rekapitulaciju ...............................................................................................121 4.4 Literatura ............................................................................................................................121
6
BIOMATERIJALI
7.1 Sistemska toksinost i hipersenzitivnost ..............................................................188 7.2 Tumorogeneza ..................................................................................................................197 7.3 Infekcije ...............................................................................................................................206 7.4 Pitanja za rekapitulaciju ...............................................................................................215 7.5 Literatura ............................................................................................................................216
MODELIRANJE BIOMATERIJALA I TKIVA
7
SADRAJ
12. MEHANIKA KARAKTERIZACIJA BIOMATERIJALA ................................................... 352 12.1 Mehanika ispitivanja sa razaranjem ...................................................................352 12.2 Mehanika ispitivanja bez razaranja ....................................................................364 12.3 Uporedne mehanike karakteristike biomaterijala .......................................368 12.4 Pitanja za rekapitulaciju ............................................................................................369 12.5 Literatura .........................................................................................................................370
8
BIOMATERIJALI
17. METALNI BIOMATERIJALI ................................................................................................. 483 17.1 Inenjering mehanikih karakteristika metala ................................................483 17.2 Glavni predstavnici metalnih biomaterijala ......................................................500 17.3 Korozija metalnih implantata .................................................................................507 17.4 Tehnologija metalnih implantata ...........................................................................510 17.5 Pitanja za rekapitulaciju ............................................................................................511 17.6 Literatura .........................................................................................................................512
tkiva ....................................................................................................................................620 20.3 Modaliteti poveanja eikasnosti kompozitnih biomaterijala ...................625 20.4 Pitanja za rekapitulaciju ............................................................................................626 20.5 Literatura .........................................................................................................................627
9
SADRAJ
22. BIODERIVATIVNI POLIMERI I HIDROGELOVI .............................................................. 656 22.1 Bioderivativni materijali na bazi kolagena ........................................................657 22.2 Bioderivativni materijali na bazi alginata ..........................................................660 22.3 Inenjering bioderivativnih materijala ...............................................................663 22.4 Sastav i struktura sintetskih hidrogelova ...........................................................666 22.5 Termodinamiki i reološki osnovi primene biomaterijala u
formi hidrogelova .........................................................................................................669 22.6 Proizvodnja bioderivativnih materijala ..............................................................675 22.7 Dizajniranje i proizvodnja implantata iz bioderivativnih materijala .....677 22.8 Pitanja za rekapitulaciju ............................................................................................679 22.9 Literatura .........................................................................................................................679
24. VRSTOTKIVNI IMPLANTATI............................................................................................ 697 24.1 Rekonstrukcija kostiju i zglobni implantati ......................................................697 24.2 Stomatološki implantati: odnos svojstava materijala i
25. TEHNOLOGIJA IMOBILIZACIJE ELIJA: PRAKTINI ASPEKTI ................................ 727 25.1 Metode imobilizacije elija .......................................................................................727 25.2 Modeliranje procesa u esticama sa imobilisanim elijama ......................731 25.3 Ekstruzione tehnike .....................................................................................................734 25.4 Pitanja za rekapitulaciju ............................................................................................737 25.5 Literatura .........................................................................................................................738
10
BIOMATERIJALI
ciljane isporuke lekova ...............................................................................................764 27.4 Usmeravanje nanoestica ..........................................................................................766 27.5 Toksinost nanoestica ..............................................................................................769 27.6 Budunost nanomedicine .........................................................................................770 27.7 Dodatak I: Primeri upotrebe nanoestica .........................................................770 27.8 Dodatak II: Deinicije nekih nanoestica sa primenom nanovlakana ....771 27.9 Pitanja za rekapitulaciju ............................................................................................774 27.10 Literatura .......................................................................................................................775
28. KVANTNA MEDICINA: STANJE I PERSPEKTIVE ........................................................... 778 28.1 Makroskopski kvantni efekti u bioizici i kvantno-holistike
psihosomatske implikacije .......................................................................................778 28.2 Dodatak: Bioinformacione osnove kvantne medicine i
11
PREDGOVOR
Poetak XXI veka nesumnjivo je obeleen interdisciplinarnim i multidisci- plinarnim naporima istraivaa u razliitim oblastima nauke. Jedna od najizraziti- jih tendencija ovog tipa uoava se u biomedicinskim istraivanjima, gde se zdruuju napori lekara, biologa, genetiara i biohemiara, s jedne strane, i bioiziara i ine- njera, s druge strane – sa ciljem dubljeg razumevanja zdravlja i bolesti, i primene ovih saznanja u biomedicinskoj praksi, tako vanoj u svakodnevnom ivotu ljudi.
Kao rezultat ovih svetskih trendova, u Srbiji ve više godina na nekoliko fa- kulteta postoji nastava iz oblasti biomedicinskog inenjerstva, sa ciljem da ospo- sobi inenjere ovih usmerenja za multi disciplinarno povezivanje znanja iz oblasti tehnike sa biomedicinskim znanjima. Jedan od bazinih predmeta ovih usmerenja jesu Biomaterijali, kojima je i posve en naš udbenik, iji je cilj da predstavi pregled teorije i prakse biomaterijala u biomedicinskoj nauci.
Nauka o biomaterijalima je nesumnjivo najmultidisciplinarnija od svih nauka, jer zahteva ovladavanje znanjima iz mnogih oblasti nauke i tehnologije, inenjerstva i medicine, kako bi naunici iz oblasti biomaterijala mogli da se uhvate u koštac sa ovom profesijom. Zato posle uvodnog dela, udbenik iz Biomaterijala sadri etiri celine: (I) Osnovni biomedicinski koncepti i reakcije organizma na biomaterijale, (II) Struktura, iziko-mehanika karakterizacija i modeliranje biomaterijala i tkiva, (III) Savremeni biomaterijali i tehnologije, (IV) Perspektive biomaterijala i tehnologija, iza kojih slede Zadaci sa rešenjima, Ispitna test pitanja i Ispitna teorijska pitanja, koji pomau studentima da lakše savladaju veoma obimno i kompleksno gradivo. Na kraju svakog poglavlja data su pitanja za rekapitulaciju, kao i spisak dopunske literature za opcionu detaljniju obradu pojedinih oblasti.
Grupa od dvadesetietiri profesionalca sa univerziteta i naunih instituta, pod okriljem Društva za istraivanje materijala Srbije i Instituta tehnikih nauka Srpske akademije nauka i umetnosti, Beograd, doprinela je pisanju ovog kapitalnog udbenika iz Biomaterijala, prvog do sada na srpskom jeziku. Mada ukljuivanje vee grupe autora nuno dovodi do stilske neujednaenosti, ipak je oblast biomaterijala toliko multidisciplinarna da je ovakav pristup bio neophodan, kako uosta- lom pokazuju slina svetska iskustva sa ukljuivanjem i preko pedeset autora. Ipak
BBIOMATERIJALI.indb Sec.I11BBIOMATERIJALI.indb Sec.I11 9/29/2009 1:33:35 AM9/29/2009 1:33:35 AM
12
BIOMATERIJALI
urednici su se potrudili da koliko je to mogue stilski i pedagoški ujednae udbenik, kako bi bio korisna literatura za sve studente diplomskih, master i doktorskih studija iz biomedicinskog inenjerstva u Srbiji i okruenju. Knjiga je nastala i kao deo naše aktivnosti u okviru mree izvrsnosti Evropske unije INCOMAT, “Creating international cooperation teams of excellence in the emerging biomaterial surface research” (broj NMP3-CT-2007-032918).
Urednici
13
1 UVOD1
Oblast biomaterijala (biomedicinskih materijala) suviše je mlada za neku istoriju u formalnom smislu, iako vredi pomenuti da su drevni Rimljani, Kinezi i Acteci koristili zlato u zubarstvu pre više od 2000 godina, a da su kroz zabeleenu istoriju i drveni zubi i staklene oi bili u vrlo estoj upotrebi. Na poetku 20. veka, plastika i drugi veštaki materijali postali su daleko dostupniji, pa je njihova laka proizvodnja dovela do mnogih eksperimenata implantacije, mada je veina njih, u svetlu savremenog shvatanja toksikologije upotrebljenih materijala, bila osuena na neuspeh [1].
Pojedini lekari i vizionari implantirali su razne biomaterijale za rešavanje narastajuih i esto opasnih po ivot medicinskih problema. Polimetil-metakrilat (PMMA) uveden je u stomatologiji 1937, a tokom Drugog svetskog rata shvaeno je i da artiljerijskom vatrom razbijene ljuspice PMMA u oima pilota izazivaju samo blagu reakciju na strano telo. Voorhees je odmah posle rata eksperimentisao sa pa- dobranskim platnom Vinzon N za vaskularnu protetiku, a kardiohirurg Rob je 1958. dao sugestiju da bi hirurzi mogli posetiti svoje oblinje trgovine tekstila u cilju na- bavljanja materijala za vaskularne proteze. arnli je ranih 1960-tih koristio PMMA, ultra-visoko-molekularni polietilen i nerajui elik za totalnu zamenu kuka. Ipak u to vreme termin „biomaterijali“ još uvek nije postojao.
Teško je odrediti tano poreklo termina biomaterijali, mada se on uvrstio tokom ranih simpozijuma o biomaterijalima na Klemson univerzitetu kasnih 1960- tih i ranih 1970-tih, iji nauni uspesi su doveli 1975. do formiranja Društva za biomaterijale [1]. Razvoj oblasti biomaterijala i Društva za biomaterijale blisko su povezani, stimulišui organizovana istraivanja specijalista iz oblasti medicine, bi- ologije i tehnologije materijala, uz primenu biomaterijala sa speciinim zahtevima. Danas postoje mnoga univerzitetska odeljenja i nastavni programi posveeni biomaterijalima, kao i centri za istraivanje i inenjering biomaterijala. Paralelno sa istraivanjima i edukacijom, razvilo se na hiljade kompanija za implementaciju biomaterijala u biomedicinske naprave, lekove i pribor.
1Ovo poglavlje napisali su Dragan Uskokovi i Dejan Rakovi.
14
BIOMATERIJALI
Biomaterijali obuhvataju široku klasu materijala za primenu u medicini i stomatologiji (v. Tabl. 1.1) [2, 3]: metalne biomaterijale, keramike i staklaste biomaterijale, ekonomine i skuplje nedegradabilne sintetike polimere, kompozitne biomaterijale, biodegradabilne polimere, bioderivativne polimere i tkiva, kao i pasivne i bioaktivne prevlake.
Mnogobrojni biomaterijali i medicinski pribor danas se uobiajeno koriste kao protetska sredstva u dentalnoj, ortopedskoj, kardiovaskularnoj, oftalmološkoj, i rekonstruktivnoj hirurgiji. Uspešno se upotrebljavaju i u intervencijama, kao što su angioplastika (stentovi) i hemodijaliza (membrane), za hirurške konce ili bio- adhezive, ali i kao naprave za kontrolisano oslobaanje lekova. Veina implantata dobro slui njihovim nosiocima za odreeni period u svrhu za koju su i namenjeni. Meutim, neki implantati i vantelesne naprave neizostavno stvaraju komplikacije, bilo kao posledica zapaljenja, infekcije, interakcije u vidu neeljenih (alergijskih ili toksinih) reakcija, ili usled zatajivanja rada naprava, što moe prouzrokovati razne štetne posledice (tromboza ili tromboembolija), pa, ak, i smrt nosioca (masivni infarkt). Komplikacije su naješe rezultat interakcija biomaterijal–tkivo, koje se javljaju na mestu ugradnje svakog materijala, mada mogu imati i sistemski ili opšti karakter. Efekti implantata na tkivo domaina i ivog tkiva na implantat podjednako su vani i za izbegavanje moguih komplikacija i za spreavanje lošeg rada ili otkazivanja naprava.
Za primenu biomaterijala vani su biokompatibilnost sa tkivom, mehaniki kontinuitet sa okolnim koštanim tkivom, netoksinost biomaterijala ili njihovih produkata pri degradaciji, i što nia cena!
Pored toga, za speciine primene postavljaju se i neki dodatni zahtevi: bioak- tivnost (za ubrzavanje rasta prelomljene kosti, regeneraciju pokidanog nerva, spreavanje upalnih procesa, ...), biodegradacija (hirurškog konca, naprava za iksira nje u rekonstruktivnoj hirurgiji, „kostura“ za elije koje regenerišu ošteene ili obo lele organe, kapsula za kontrolisano postupno oslobaanje lekova u telu, ...), otpornost na infekcije (posebno na mestima prodora naprave kroz kou: kateteri, dovodi za napajanje veštakog srca krvlju, ... – što se spreava inkorporiranjem antimikrobnih hemikalija i antibiotika u takvim biomedicinskim napravama), trombo otpornost (za naprave u kontaktu sa krvlju: veštake arterije, srani zalistci, ... – što se postie kontrolom površine naprava, bioaktivnim slojevima, ...), propustlji vost i difuzibil- nost (membrana vantelesnih naprava i veštakih organa, ...)!
U Tabl. 1.1 dat je pregled predstavnika biomaterijala i njihovih primena. Metalni biomaterijali su klasini biomaterijali od kojih najbolja svojstva ima-
ju titan i njegove legure, zbog odline otpornosti na koroziju, biokompatibilnosti i manje krutosti (koja omoguava najbolji prenos mehanikih naprezanja njihovih implantata na kosti), dok TiO2 na površini ima bioaktivna svojstva i indukuje rast nove kosti. Odlina mehanika i biokompatibilna svojstva imaju i CoCr-legure, dok se nerajui elici danas napuštaju zbog nedovoljne otpornosti na koroziju, i efe- kata hipersenzitivnosti organizma na nikl izdvojen iz elika.
15
UVOD
Materijal Primena
Metalni biomaterijali
Ortopedska ica
Nerajui elik Ortopedska ica Ti i Ti-legure Ortopedska ica i zubni implantati
Keramiki i staklasti biomaterijali Al-, Ca- i P-oksidi Degradabilni punioci kosti, stimulatori koštanog rasta Biostaklo Bioaktivno P-Ca staklo, ortopedske prevlake Staklaste keramike Inkapsulacija implantabilne medicinske elektronike Kompaktna alumina (Al2O3) Kuglica veštakog kuka
Hidroksiapatiti Bioaktivna keramika, ortopedska prevlaka, punioci kosti
Staklasti ugljenik Vlakna za ortopedske kompozite Pirolitiki ugljenik (izotropni niskotemperaturni)
Srani zalistci, zubni implantati
Ugljenik (izotropni ultrani- skotemperaturni)
Prevlake temperaturno osetljivih polimera
Ekonomini nedegradabilni sintetiki polimeri
Skuplji nedegradabilni sintetiki polimeri
Kompozitni biomaterijali
16
BIOMATERIJALI
Hirurški konci, koštane ploe
Bioderivativni polimeri
Bioderivativna tkiva
Govea vratna arterija Krvni sudovi (bajpasi) Govei ligamenti Ligamenti Govei perikard Supstitucija perikarda, srani zalistci Ljudska pupana vrpca Krvni sudovi (bajpasi) Svinjski srani zalistci Srani zalistci
Pasivne prevlake
rekonstruktivnoj hirurgiji
Bioaktivne prevlake
Trombootpornost
17
UVOD
Keramiki i staklasti biomaterijali imaju bioaktivna svojstva, indukujui rast nove kosti, pa se esto primenjuju kao prevlake na titanu ili Ti-legurama, jer su same keramike relativno krte i neotporne na mehanike udare! Ipak, tamo gde nema znaajnih dinamikih optereenja primenjuju se i za koštane implantate, posebno gde se zahteva velika tvrdoa i otpornost na habanje (zglobovi veštakog kuka). Posebno treba istai ugljenine materijale zbog izrazito visoke biokompatibilnosti, inertnosti i stabilnosti.
Ekonomini nedegradabilni sintetiki polimeri odlikuju se strukturnom sta- bilnošu, relativnom biokompatibilnošu i niskom cenom.
Skuplji nedegradabilni sintetiki polimeri imaju poboljšane karakteristike, koje omoguavaju smanjenje lekova, komplikacija i postoperativnog perioda – ime se kompenzira njihova visoka cena. Njihova osobina je i visoka otpor nost na mehaniki zamor i kidanje.
Kompozitni biomaterijali predstavljaju najinteresantnije biomaterijale za reparaciju koštanog tkiva, od kojih su hidroksiapatit/polimer kompoziti najblii prirodnom koštanom tkivu, a ako je pri tome polimerna (polilaktidna) matrica bio- resorbilna ona ustupa mesto novoformiranom koštanom tkivu, što ini ove kompozite ‘ivim’ jer se tokom reparacije razvijaju i menjaju. Znaajna klasa su i ugljenini kompoziti, sa izvanrednom kombinacijom mehanikih svojstava (ilavost i tvrdoa) za stomatološke i ortopedske implantate. Vrlo interesantni su i injektabilni kompoziti za rekonstrukciju tvrdog i mekog tkiva, kao i nano-kompoziti zbog minimalne iritacije imunog sistema.
Biodegradabilni polimeri imaju sposobnost postepene degradaci je u telu, sa netoksinim produktima koji se lako izluuju iz tela.
Bioderivativni polimeri imaju visoku reproduktivnost i biokompatibilnost. Bioderivativna tkiva prethodno se procesiraju zbog smanjenja problema od-
bacivanja stranog tkiva. Primenjuju se zbog visoke biokompatibilnosti, koja meutim vremenom degradira pa dolazi do njihove kalciikacije; vreme traja nja implantata ovih materijala je zato ogranieno do deset godina.
Pasivne prevlake poboljšavaju trombootpornost, ubrzavaju zarasta nje rana u rekonstruktivnoj hirurgiji mekih tkiva i smanjuju bolnike primene lekova kroz katetere.
Bioaktivne prevlake koriste se zbog trombootpornosti, otpornosti na infekcije, adhezije i rasta kostiju, adhezije mekog tkiva, poveane adhezije eli ja, epitela i endotela – kao rezultat modiikacije površine.
Ekspanzivnim razvojem nanomedicine, primena biomaterijala u doglednoj budunosti moe se oekivati u hibridnim napravama/organima, kao i kultivaciji organa i tkiva u regenerativne svrhe! Hibridne naprave i organi e nai primenu zbog kratkog vremena trajanja totalno sintetikih organa; ovde bi kostur bio od sintetikih materijala, a okolno tkivo od kultivisanih elija za speciine funkcije. Kultivacija organa je ekstenzija hibridnih organa, sa ciljem potpunog dupliciranja i regeneracije organa kontrolom procesa morfogeneze tkiva.
U nastavku bie data etiri primera široke primene biomaterijala za implan- taciju (srani zalistci, veštaki kuk, dentalni implantati, ona soiva), sa naglaskom na kljune probleme u ovim napravama od biomaterijala.
18
BIOMATERIJALI
Srani zalistci. Degeneracija i druge bolesti sranih (mitralnih) zalistaka esto nameu potrebu za operacijom i ak zamenom ako je neophodno. Proteze sranog zalistaka napravljene su od ugljenika, metala, elastomera, tkanina i prirodnih (svinj- skih) zalistaka i ostalih tkiva, hemijski tretiranih da ogranie imunološku reakciju i da poveaju trajnost. Više od 100.000 zamena zalistaka se obavi godišnje u SAD zbog steenih ošteenja i uroenih sranih anomalija [1]. Generalno gledano, skoro odmah pošto je ugraen zalistak, kardiološka funkcija se obnavlja u skoro normalno stanje, a pacijent pokazuje brzo poboljšanje. Uprkos celokupnom uspehu u zameni sranih zalistaka, postoje problemi sa razliitim tipom zalistaka, koji ukljuuju degeneraciju tkiva, mehanike nedostatke, postoperativne infekcije i poveanje krvnih zrnaca.
Veštaki kuk. Ljudski kuk je izloen velikim mehanikim pritiscima, zbog kojih podnosi znaajna optereenja. Nije iznenaujue posle 50 godina neprestanog mehanikog pritiska ili degerativne reumatološke bolesti, da se prirodni kuk po- haba, dovodei do smanjenja pokretljivosti, a esto i do invalidskih kolica. Veštaki kukovi se prave od titana, specijalnih visokoizdrljivih legura, keramika, kompozita i ultra-visoko-molekularnog polietilenima. Veštaki kukovi ugrauju se u više od 250.000 ljudi godišnje u SAD [1]. Sa nekim tipovima zamene kukova i operativnih zahvata, nestala funkcija se vraa nakon operacije. Za ostale tipove, period opo- ravka je neophodan da bi kost i implantat prihvatili jedno drugo pre nego što bi kuk mogao da podnese itavu teinu tela. U mnogim sluajevima funkcija se dobro uspostavlja, ak su mogue i atletske aktivnosti, mada naravno nisu preporuene. Posle 10–15 godina, implantat moe da oslabi, pa je neophodna druga operacija.
Dentalni implantati. Široko rasprostranjeno uvoenje titanovih implantata donelo je revoluciju u zubnoj protetici. Ove naprave, koje predstavljaju veštaki koren zuba na koji su privršuju zubne krunice, ugrauju se u preko 1.000.000 ljudi godišnje u SAD [1]. Poseban zahtev koji se ovde postavlja je otpornost prema bakterijskim infekcijama na mestu gde implantat prelazi u gingivu tj. desni, a jedna od primarnih prednosti titanovih implantata jeste upravo dobar spoj sa vilicom. Trošenje, korozija i mehanika svojstva titana moraju se takoe imati u vidu.
Ona soiva. Veštaka ona soiva prave se od polimetil-metakrilata (PMMA), hidrogela, silikonske gume, ili drugog materijala koji se koristi da zameni prirodno soivo kada postane mutno ili kataraktino. Pošto više od 50% stanovništva boluje od ozbiljnog oblika katarakte koji bi zahtevao ugradnju ovih implantata, nije iznenaujue da se preko 2.500.000 veštakh onih soiva implantira godišnje u SAD, a dvo- struko više u ostatku sveta [1]. Dobar vid se uglavnom odmah vraa posle umetanja soiva, a operacije su najveim delom uspešne. Uobiajeni put ozdravljenja sa ovim napravama je slian onome uoenom kod materijala ugraenih u druge delove tela.
1.2 PROBLEMI NAUKE O BIOMATERIJALIMA
Široki skup biomaterijala razlikuje se meusobno u hemijskom, izikom i mehanikom pogledu. Pri tome, u primeni ukljuena su mnoga anatomska mesta u ljudskom telu. Mehanizmi preko kojih organizam reaguje sa stranim telima
19
UVOD
i isceljuje rane posmatraju se zato u svakom speciinom sluaju. Problemi, briga oko njih, ili neobjašnjiva zapaanja esta su pojava kod implantata. Iako kompanije proizvode svaku od implantiranih naprava prvenstveno zbog proita, nadzorne agencije briljivo pregledavaju karakteristike naprava i prave polisu osiguranja sa namerom da se kontroliše industrija i zaštiti pacijent. Pri tome pojavljuju se i neka etika i društvena pitanja. U nastavku ovog poglavlja bie detaljnije razmotreni ovi problemi [1].
Interdisciplinarnost Više nego ostala polja savremene tehnologije, nauka o biomaterijalima po-
vezuje meusobno istraivae sa veoma razliitim akademskim obrazovanjem, koji moraju prisno da sarauju, poev od shvatanja potrebe za biomaterijalima ili napravama pa do proizvodnje, prodaje i njegove implementacije.
Raznovrsnost Nauka o biomaterijalima je visoko multidisciplinarna. Ovo moe poticati
od znaajnog upravljanja teorijom i praksom naunika u oblasti biomaterijala, do uopštenog razumevanja svojstava biomaterijala od strane lekara-naunika. Širok je opseg ustaljeno korišenih biomaterijala (v. Tabl. 1.1) i nijednom istraivau ne bi bilo jednostavno da sintetiše i da dizajnira sve te biomaterijale. Zato je specijali- zacija profesionalaca u ovom polju nunost, jer je široka paleta svojstava i primena biomaterijala.
Dalje, postoji tenja da se grupišu biomaterijali (i istraivai) u grupe: biomaterijali za zamenu tvrdih tkiva, npr. metali i keramike, koji tipino predstavljaju ortopedske i dentalne materijale, i biomaterijali za zamenu mekih tkiva, npr. polimeri, koji su esto povezani sa kardiovaskularnom i generalno plastinom hirurgi- jom. U praksi, ova podela se baš i ne dri vrsto – srani zalistci mogu se praviti od polimera, metala i ugljeninih materijala, dok se veštaki kuk sastavlja od metala i polimera koji bi bili meuveza u telu preko polimernog koštanog cementa.
Razvoj naprava
Tokom razvoja naprava od biomaterijala, prepliu se razliite discipline, poev od identiikacije potreba za razvoj biomaterijala, proizvodnje, implantacije, pa do uklanjanja medicinske naprave iz pacijenta.
Vanost oblasti
Znaaj oblasti se manifestuje vanošu potrebe i vanošu komercijalne prodaje. Izlišno je rei da se konlikt interesa moe pojaviti pritiskom iz obe komercijalne oblasti, kao i iz domena etikog razmatranja. Kontaktna soiva se prodaju ispod $70, a srani zalistci i veštaki kukovi iznad $3000; u SAD se stavlja preko 30 miliona kontaktnih soiva godišnje, dok se implantira oko 100.000 sranih zalistaka i 250.000 totalnih proteza veštakog kuka. Evo teme za razmatranje: veliki broj naprava, razliitog znaaja i razliitog (ali opet velikog) komercijalnog potencijala. Ne postoji jednostavan odgovor kako su ove komponente integrisane u polje koje
20
BIOMATERIJALI
Toksikologija
Biomaterijali ne smeju biti toksini, ukoliko se ne prave namerno sa takvom namenom (npr. pametna bomba, vrsta leka koji trai kancer meu elijama i uni- štava ga). Pošto se normalno upotrebljavaju netoksine naprave, toksikologija za biomaterijale razvila se u posebnu nauku. Bavi se supstancama koje migriraju iz biomaterijala. Na primer, za mnoge nisko-molekularne polimere, kvašenje sa ostalim tkivom predstavlja neki nivo iziološke aktivnosti i elijske toksikologije. Ra- zumljivo je da biomaterijali ne bi trebalo ništa od svoje mase da predaju okolnom tkivu ukoliko za to nisu speciino dizajnirani. Toksikologija se bavi metodama koje izraunavaju koliko e ovaj kriterijum biti ispunjen u primeni biomaterijala.
Biokompatibilnost
Razumevanje i merenje biokompatibilnosti jedinstveno je u nauci o biomaterijalima. Naalost, ne postoje precizne deinicije niti uredna merenja biokompatibilnosti. Biokopatibilnost mora biti speciino deinisana za svaku primenu pona- osob.
Ozdravljenje
Poseban proces se javlja kada se materijal ili naprava zaceljuje u telu. Po- vrede tkiva e izazvati dobro poznati zapaljenski proces koji vodi zaleenju. Kada je npr. implantat umetnut, reakcija se javlja u vidu reakcije stranog tela. Normalni odziv tela e biti promenjen, jer je implantat vrsto telo. Nadalje, ova reakcija e se razlikovati po intenzitetu i trajanju u zavisnosti koji je anatomski deo ukljuen. Ra- zumevanje kako strana tela menjaju normalne zapaljenske procese veoma je vano za oblast biomaterijala.
Jedinstvenost anatomskih mesta
Veoma je vano uzeti u obzir da nije svejedno kako reaguju razliita anatomska mesta. Ona soiva mogu otii u kapsulu soiva. Veštaki kuk e biti ugraen u butnu kost. Srani zalistak e sav biti u sranom mišiu. Kateter moe biti smešten u venu. Svako od ovih mesta zahteva od biomedicinskih naprava specijalnu geome- triju, veliinu, mehanike karakteristike i bioreakciju.
Zahtevi mehanikih svojstava
Svaki biomaterijal i naprava imaju speciinosti, koje se mogu podeliti u tri kategorije: mehaniko ispoljavanje, mehanika izdrljivost i izika svojstva. Što se tie mehanikog ispoljavanja: proteza kuka mora biti jaka i tvrda; materijal za te- tivu mora biti jak i prilagodljiv; listi sranog zalistka mora biti leksibilan i ilav; membrana za dijalizu mora biti jaka i leksibilna, ali ne i istegljiva; zamena za ve- zivnu hrskavicu mora biti mekana i istegljiva. Što se tie mehanike izdrljivosti:
21
UVOD
kateter moe da se upotrebljava do tri dana; listi sranog zalistka mora se kretati oko 60 puta u minuti što mu ograniava upotrebljivost na oko 10 godina; proteza kuka mora izdravati teret preko 10 godina. Što se tie izikih svojstava: membrana za dijalizu ima odreenu propustljivost; ašica kuka mora biti podmazana; ono soivo ima prozranost i odreenu refrakciju. Da bi se što bolje upoznali ovi zahtevi, principi dizajna se pozajmljuju iz mehanike, hemijskog inenjerstva i nauke o materijalima.
Ueše industrije
Posle uinjenih znaajnih napora od puta da se shvati kako funkcionišu biomaterijali pa do toga kako da postanu optimalni, kompanije danas proizvode milione implantata za ljudsku upotrebu i zarauju milijarde dolara na prodaji medicinskih naprava. Iako se još uvek ui o osnovama biointerakcije, ipak se proizvode i implantiraju materijali i naprave. Kako se ova kontroverza objašnjava? U osnovi, uzimaju se rezultati iz iskustva, probe i greške, nadahnuti pretpostavkama i istom sreom, pa danas postoji itav skup biomaterijala koji olakšavaju stanje pacijenta. Iskusni lekar ih moe koristiti rutinski i sa poverenjem, i tako primenjeni na paci- jentima naješe postaju opšte prihvaeni, jer komplikacije koje priinjava implantat manje su nego komplikacije od osnovnog oboljenja. Pri tome, kompanije prave impresivne proite na ovim implantatima, iako u izvesnom pogledu pacijent prelazi iz jednog oboljenja u drugo. I tako, u oblasti biomaterijala uvek se gledaju dve strane novia – fundamentalne nauke sa inenjeringom i komercionalni sektor.
Ravnotea izmeu elje da se produi ivot i smanji patnja, i da se zadovo- lji imperativ proita, namee potrebu gledanja dalje prema polju kontrole. Oigled- no, etika razmatranja se uklapaju u kompletnu sliku. Zato kompanije imaju velika ulaganja u proizvodnju, kontrolu kvaliteta, kliniko testiranje, zakonsku regulativu i distribuciju medicinskih naprava. Poboljšane naprave mogu da funkcionišu bolje za pacijenta, a kompanije e podneti veliki trošak koji e, za kratko vreme, biti rupa u proitu u oima vlasnika akcija. Osim toga, mnoge kompanije podravaju laboratorije za fundamentalna istraivanja i tako doprinose razvoju nauke o biomaterijalima!
Etika
Postoji veliki opseg etikih razmatranja u nauci o biomaterijalima. Na neka navedena kljuna etika pitanja teško je dati odgovor. Da li je eksperiment dobro dizajniran i toliko vaan da su dobijeni podaci vredni patnje i rtvovanja ivotinja kao modela? Kako e kliniko istraivanje koje koristi ljude minimizirati rizik za pacijenta i ponuditi povoljan odnos rizik–korist? Kako se mogu potrebe pacijenta najbolje izbalansirati sa inansijskim ciljevima kompanija koje imaju pravo svojine nad razvijanim biomaterijalima? Otkako istraivai esto gledaju inansijsku korist od uspešnih naprava od biomaterijala pa ponekad dodeljuju napravama i svoja imena, koliko predubeenje moe biti minimizirano u istraivanjima? Za naprave koje e pacijent doivotno koristiti, šta je kompromis izmeu produenog ivota i njegovog kvaliteta?
22
BIOMATERIJALI
Sa toliko mnogo neodgovorenih pitanja oko osnova nauke o biomaterijalima, da li vladine agencije za regulativu imaju dovoljno informacija da deinišu od- govarajue testove za biomaterijale i naprave koje treba pustiti u proizvodnju?
Regulativa
Pacijent zahteva sigurne medicinske naprave. Da bi se sreile nedovoljno testirane naprave i materijali koji se namenjuju trištu, i da bi se rašistilo sa ne- kvaliikovanom ili neovlašenom prodajom biomaterijala, sloeni nacionalni sistem regulative se uvrstio u SAD kroz Administraciju za hranu i lekove (FDA). Kroz Internacionalnu organizaciju za standarde (ISO), razvila se meunarodna uprava standarda u svetskoj zajednici. Oigledno, znaajna fundamentalna znanja o biomaterijalima ugraena su u ove standarde. Cena upoznavanja standarda i predoava- nje usaglašenosti sa materijalima, biologijom i klinikim ispitivanjima ogromna je. Uvoenje novih biomedicinskih naprava na trište zahteva ulaganje mnogo miliona dolara. Da li su regulativa i standardi zaista akcentovali sigurnost korišenja? Da li cena regulative naduvava cenu zdravstvene nege i dostavlja li ispitane naprave onima kojima je potrebna? Odgovori nisu jednostavni, a pored toga novi problemi se pojavljuju svakoga dana.
Literatura
Tokom proteklih 50 godina, polje biomaterijala se razvilo od individualnog nasuminog medicinskog istraivanja, do deinisane oblasti kakva je danas. Zajed- no sa razvojem oblasti, razvijala se i literatura o njoj, od monograija do kljunih radova u asopisima iz biomaterijala.
Zakljuak
Ovo uvodno poglavlje doprinosi širokom pogledu na oblast biomaterijala. Namera je da italac dobije pregled sa kojim bi otpoeo da ita naredna poglavlja sa izvesnim predznanjem. Nauka o biomaterijalima je najmultidisciplinarnija od svih nauka, pa zato naunici iz oblasti biomaterijala moraju ovladati materijom iz mnogih polja nauke i tehnologije, inenjerstva i medicine, da bi mogli da se uhvate u koštac sa ovom profesijom. Nagrada za vladanje ovom materijom je ueše u inte- lektualnom stimulisanju napretka i razumevanju osnova ove nauke, kao i doprinos smanjenju ljudske patnje.
1.3 PITANJA ZA REKAPITULACIJU
rijala.
23
UVOD
1.4 Razmotriti uporedni prikaz nekih primena sintetikih materijala i modiikovanih prirodnih materijala u poslednjih desetak godina.
1.5 Obrazloiti zašto je nauka o biomaterijalima visoko multidisciplinarna oblast. 1.6 Razmotriti neka etika pitanja u vezi nauke o biomaterijalima.
1.4 LITERATURA
B. D. Ratner, A. S. Hoffman, F. J. Schoen, J. E. Lemons, eds., 1. Biomaterials Science (Elsevier, Amsterdam, 2004).
Biomedical Materials (Special Issue), 2. MRS Bulletin 16 (9) (1991).
D. Rakovi, 3. Osnovi bioizike (Grosknjiga, Beograd, 1994 / 1995; IASC&IEFPG, Beograd, 2008); D. Rakovi, Fizike osnove i karakteristike elektrotehnikih materijala (Elektro- tehnicki fakultet / Akademska misao, Beograd, 1995 / 1997; 2000); D. Rakovi, S. Kr- sti, Lj. Turkovi, Savremeni materijali i tehnologije (Grosknjiga, Beograd, 1997).
D E O
ORGANIZMA NA BIOMATERIJALE
2 ELIJE I TKIVA1
elije su osnovne strukturne jedinice svih ivih organizama. Udruivanjem pomou meuelijskih kontaktnih spojeva one formiraju osnovna tkiva organizma. Povezivanjem osnovnih tkiva, koje spaja proteinski vanelijski matriks vezivnog tkiva, nastaju organi, ije funkcionalno povezivanje daje sisteme organa, od kojih je izgraen svaki organizam kimenjaka, pa i sam ljudski organizam. Organi obavljaju osnovne funkcije neophodne za ivot svakog organizma, ukljuujui disanje, krvo- tok, ishranu, kretanje, odstranjivanje nepotrebnih materija i razmnoavanje.
Dejstvo faktora spoljašnje sredine u obliku raznih formi optereenja, oštee- nja ili stresa, ispoljava se od celularnih, tkivnih i sistemskih nivoa, pa do organizma u celini.
Stres je neizbean i neophodan sastavni deo ivota svake jedinke od intrau- terinog stadijuma (lat. intra, u, unutra + uterus, materica) sve do smrti. Stres predstavlja stanje realne i/ili imaginarne pretnje narušavanju homeostaze organizma na svim nivoima njegove organizacije. Do odreene pojedinane (elijske, tkivne, sistemske) granice, stres doprinosi boljem prilagoavanju organizma svakodnev- nim zahtevima [eustres (gr. eu, dobar + eng. stress, napetost)], koje nameu svojim dejstvom faktori okruenja ili stresori. Nametanje sredinskih promena, negativnih ili pozitivnih, uslovljava pokretanje niza izioloških procesa i promena u elijama, tkivima i organima, koje se razvijaju kao adaptivne za organizam.
Adaptacija (lat. adaptatio, prilagoavanje) je sposobnost elije, tkiva, organa, i organizma da putem uroenih i steenih adaptivnih mehanizama adekvatno odgovori na dejstvo faktora spoljašnje (npr. povreda ili prisustvo stranog tela kao što je biomaterijal) i/ili unutrašnje (npr. manjak kiseonika) sredine i da pritom odri biološku stabilnost tokom naglih promena uslova ivotnog okruenja. Otuda zdravlje esto predstavlja sinonim za adekvatnu, a bolest za neadekvatnu adaptaciju u okviru granica kolebanja izioloških vrednosti adaptivnog kapaciteta ili reaktivne norme organizma i/ili njegovih strukturnih jedinica. Adaptivni kapacitet oznaava sposobnost prilagoavanja u okviru raspoloivih mogunosti na izmenjene faktora
1Ovo poglavlje napisao je Drago orevi.
28
BIOMATERIJALI
okruenja, dok reaktivna norma predstavlja širinu prilagoavanja ili odgovora na dejstvo tih inilaca [1]. Reaktivnost kao skup svih reakcija odreuje tip odgovora elija, tkiva, organa i organizma na delovanje spoljašnjih i unutrašnjih faktora sredine koji narušavaju dinamiku ravnoteu organizma – homeostazu.
Svaka jedinka i svaka njena organizaciona jedinica u borbi za opstanak moraju da se adaptiraju na stalne promene uslova okruenja tokom neprekidnog kretanja i menjanja faktora ivotne sredine. Stalnost i stabilnost promene, odnosno kretanja i menjanja, predstavlja proces homeokineze [2] ili alostaze [3] u cilju us- postavljanja homeostaze u datom momentu. Sa stanovišta homeokineze ili alostaze, adaptacija predstavlja proces neprekidnog biološkog, psihološkog i socijalnog prilagoavanja, u okviru granica kolebanja izioloških vrednosti adaptivnog kapaciteta ljudskog organizma.
Odravanje homeostaze (homeokineze ili alostaze) odvija se na svim nivoima organizacije, poev od molekulskih i elijskih, pa do organizma u celini, ukljuujui i sve vidove ivota: somatske, psihike i socijalne. Ako to nije mogue, dolazi do razvoja distresa (distres, gr. dis, smetnja, teškoa + eng. stress, napetost) i pojave maladaptacije (lat. adaptatio, prilagoavanje + malus, loš) na svim nivoima organizacije. Distres je neprijatan stres koji ugroava zdravlje elije, tkiva, organa ili organizma jedinke. To je opšti adaptivni odgovor na svim nivoima organizacije nastao usled neadekvatnog prilagoavanja na zahteve sredine. Distres je sinonim za maladaptaciju, pa i bolest, ošteenje ili poremeaj.
Maladaptacija je skup reakcija neadekvatne adaptacije koja podrazumeva nemogunost prilagoavanja zahtevima okoline. Maladaptacija je nesposobnost homeostatskih regulacionih mehanizama da uspostave ravnoteu oraganizma ili njegovih organizacionih jedinica sa svojim ivotnim okruenjem pri emu nastaje niz neadekvatnih reakcija.
2.1 ELIJE
elije su osnovne morfofunkcionalne jedinice svakog ivog organizma. To su najprostije strukturne jedinice na koje svaki multicelularni organizam moe da se podeli, a da, pritom, zadri funkcije neophodne za ivot. Mada elije raznih tkiva i organa variraju u strukturi i funkciji, odreene karakteristike su zajednike za sve elije. Postoji minimum potreba zajednikih za veinu elija koje odravaju elijski integritet i ivotne funkcije. elije su upeatljivo sline u njihovoj sposobnosti za razmenu materija sa svojom neposrednom okolinom, korišenju energije od organskih nutrienata, sintetisanju kompleksnih molekula, i sopstvenoj replikaciji ili umnoavanju [4].
Sve ljudske elije, njih oko 200 vrsta u jednom ljudskom telu [5,6], nastale su oplodnjom (fertilizacija) jedne jajne elije pomou spermatozoida [7]. elijskom deobom jedne oploene jajne elije (zigota) ili mitozom (gr. mitos, konac), kroz njene sve sukcesivne faze (preprofaza, profaza, metafaza, rana i pozna anafaza, i telofaza), od zigota nastaju blastulacijom elije, blastomere, koje su sposobne da
29
ELIJE I TKIVA
stvore sve elije odraslog organizma [7]. Kroz taj proces nazvan elijska diferencijacija [7], elije sintetišu speciine proteine, menjaju svoj oblik i postaju sposobne za obavljanje genetskih kodiranih speciinih funkcija [7].
Jedna elija moe pokazivati razliite karakteristike i ponašanje u raznim regionima tela pod raznim uslovima sredine [5]. Tako makrofagi i neutroili [fago- citne (gr. fagein, jesti + kitos, elija) odbrambene elije] prelaze iz aerobnog (ok- sidativnog) metabolizma korišenja glukoze (glikoliza) u anaerobne uslove u toku zapaljenskog procesa. elije koje su strukturno sline mogu reagovati na razliite naine, jer imaju razliite familije receptora za signalne molekule, kao što su hormoni i molekuli vanelijskog (ekstracelularnog) matriksa.
2.1.1 Fiziološka graa i funkcija elije
Biološki postoje tri velike ilogenetske klase elija: virusi, prokariotske elije, i eukariotske elije [8].
Virusi (lat. virus, otrov, iv nevidljiv uzronik) nisu prave elije, jer imaju krajnje prostu strukturu sastavljenu samo od jezgra izgraenog od molekula nukle- inske kiseline, ili genoma od ribonukleinske kiseline (RNK) ili dezoksiribonuklein- ske kiseline (DNK), obavijenog proteinskim omotaem [9].
Prokariotske elije (gr. pro, pre + karion, jedro), poseduju bakterije, nemaju spolja citoplazmatsku membranu (gr. kitos, elija + plasma, nešto stvoreno, od plaseo, stvarati) koja okruuje sve elije, i nisu unutra podeljene na pojedine odeljke intracelularnim membranama. Nemaju jedrov omota koji odvaja genetski materijal, DNK, od ostalih struktura, niti organele, ukljuujui histone (speciine bazne proteine) vezane za DNK [5,9].
Eukariotske elije (gr. eu, dobar + karion, jedro), imaju sve pomenute membranske strukture oko elija i unutar elija, kao i citoskelet, koji obezbeuje mehaniku potporu eliji [9,10].
Prokariotske i eukariotske elije, iako u osnovi sasvim razliite, imaju mnoš- tvo biohemijskih slinosti, pa se pretpostavlja da je eukariotska vrsta elija nastala (endosimbiotikom fuzijom) [6] od prokariotske vrste [5]. Spajanje i razmena bak- terijskih i virusnih gena upuuje na poreklo endosimbioze [6].
elijski (membranski) kompartmani kao pojedini odeljci elije jesu struk- turna osnova normalnog funkcionisanja svake eukariotske elije, koji obezbeuju relativnu nezavisnost svakog dela elije u okviru njihove genetski programirane funkcije.
elijska membrana, plazmamembrana ili plazmalema (gr. plasma, ne- što oblikovano + eilema, omota) okruuje eliju ograniavajuom barijerom, koja je odvaja od okolne sredine. Unutrašnjost elije je podeljena na brojne odeljke, takoe, odvojene membranama. Ovi za membranu vezani odeljci sa nekim deliima i ilamentima, poznati su kao elijske organele (mali organi) (Sl. 2.1) [11]. Svaka od organela obavlja neku speciinu funkciju, koja daje svoj doprinos opstanku elije.
30
BIOMATERIJALI
SLIKA 2.1 Opšta šema tipine elije sisara sa organizacijom i glavnim organelama [11].
Unutrašnjost elije ili protoplazma (gr. protos, prvi + plasma, nešto oblikovano) podeljena je na dva odeljka: (1) jedro ili nukleus (lat. nux, orah), sferinu ili ovalnu strukturu obino u blizini centra elije; i (2) citoplazmu (gr. kitos, elija + plasma, nešto oblikovano), deo izvan elijskog jedra.
Protoplazma se sastoji od vode, proteina, lipida, ugljenih hidrata, i elektrolita. Voda ini 70–85% elijske protoplazme, elijski proteini 10–20%, i lipidi 2–3% [4].
Membrane formiraju velike strukturne elemente u ljudskim elijama. One okruuju elije i ograniavaju veinu elijskih organela. Plazmamembrana je selektivno propustljiva barijera, koja ograniava i štiti citosol od uticaja spoljne sredine. Ona ima vanu ulogu i u detekciji izikih i hemijskih signala od drugih elija, od prikaivanja do spajanja elija. Stvaranjem mesta na svojoj površini, plazmamembrana omoguava kaenje i privršivnje raznih proteinskih molekula, ekstracelularnog i/ili intracelularnog porekla, kao i proteinskih ilamenata ukljuenih u stvaranje i prenošenje sila.
31
ELIJE I TKIVA
Sve eukariotske membrane sastoje se od dva sloja molekula lipida, u koja su uronjeni molekuli proteina i lanci oligosaharida kovalentno vezani za fosfogliceride ili proteine [5]. Fosfogliceridi se uobiajeno nazivaju fosfolipidi, mada termin fosfolipidi nije precizan, jer drugi lipidi takoe sadre fosfat [10].
Prema mozaikom rasporedu membranskih proteina i luidnoj konstituci- ji lipidnog dvosloja, 1972. godine konstruisan je luidni mozaiki model [12], koji je 2001. godine dopunjen savremenim modelom sa perifernim i integralnim membranskim proteinima (Sl 2.2) [10,13].
Ovaj savremeni model otkriva da atomske strukture raznih proteina spreu lipidni dvosloj; lipidi se uvršuju za neke membranske proteine, a mrea citoplazmatskih proteina ograniava kretanje mnogih integralnih membranskih proteina [10]. Meutim, zastupljenost proteina, i, u manjem obimu, lipida razliita je u membranama organela i plazmamembrani. Speciine funkcije membrana, koje zavise primarno od membranskih proteina, mogu se razlikovati u raznim za membranu vezanim organelama i u plazmamembrani kod razliitih tipova elija.
Glavni lipidi membrana, fosfogliceridi, jesu amipatini molekuli: jedan kraj ima polaran (naelektrisan) region, dok je ostatak molekula, koji se sastoji od dva duga lanca masnih kiselina, nepolaran (nenaelektrisan) [10]. Fosfogliceridi u elijskoj membrani su organizovani u bimolekularni sloj sa nepolarnim lancima masnih kiselina u sredini. Polarni regioni fosfoglicerida orijentisani su prema po- vršini membrane kao rezultat njihovog privlaenja sa polarnim molekulima vode u ekstracelularnoj tenosti i citosolu. Neki lipidi, nazvani glikolipidi, imaju oligo- saharidne lance koji se pruaju s površine elijske membrane prema spolja i tako doprinose asimetrinosti dvosloja (Sl. 2.2) [4,13].
Sastav lipida je drukiji u svakoj polovini dvosloja. Fosfogliceridi mogu slo- bodno da difunduju lateralno ili da rotiraju oko vertikalne ose u dvosloju membrane [12]. Nema hemijskog vezivanja izmeu fosfoglicerida, niti za membranske
SLIKA 2.2 Struktura elijske membrane: modiikovani luid-mozaik model [13].
32
BIOMATERIJALI
proteine. Svaki molekul je slobodan da se pomera nezavisno od drugih. Posledica ovakvog ponašanja je mogunost sluajnog lateralnog pomeranja paralelno površi- ni dvosloja. U nekim elijama lipidi se mogu pomerati lateralno brzinom od 2 μm/ sec, dok se proteinski molekuli kreu oko 40 puta sporije (50 nm/sec, ili 3 μm/min) [14]. Dugi lanci masnih kiselina mogu se pomerati i napred i nazad.
Tako lipidni dvosloj ima svojstva tenosti, slina tankom sloju ulja na površi- ni vode, koja omoguavaju potpunu leksibilnost membrane. Slino paretu sukna, membrana moe biti savijana i naborana, ali ne moe se istezati bez cepanja. Ova- kva leksibilnost, uz injenicu da su elije ispunjene tenošu, dozvoljavaju promene elijskog oblika bez ošteenja njenog strukturnog integriteta.
Plazmamembrana sadri holesterol, koji je povezan i podjednako zastupljen sa fosfogliceridima, za razliku od unutrašnjih membrana koje imaju vrlo malo holesterola. Iako slabo amipatian, i holesterol se rasporeuje kao fosfogliceridi, sa polarnim regionom prema površini membrane, a nepolarnim steroidnim prstenom prema unutrašnjosti elije zajedno sa lancima masnih kiselina. Holesterol u plazmamembrani ima znaajnu ulogu u odravanju luidnosti lipidnog dvosloja, one- moguavajui spajanje lanaca masnih kiselina, koje privlae Van der Valsove (Van der Waals) sile [8].
Proteinske pore omoguuju selektivan prolaz za molekule kroz plazmamembranu, jer lipidni dvosloj predstavlja barijeru za difuziju jona i polarnih molekula veih od 150 D (daltona) [10]. Ovi proteini obezbeuju eliji da kontroliše prolaz rastvorenih supstanci kroz membranu, što je kljuno za mnoge iziološke procese.
elijska membrana sadri oko 50% membranskih proteina, koji se mogu podeliti u dve grupe: integralne i periferne [5,10,13].
Integralni membranski proteini direktno su ugraeni u lipidni dvosloj i tesno povezani sa membranskim lipidima, tako da se ne mogu odvojiti od membrane bez ošteenja lipidnog dvosloja. Slino fosfogliceridima, integralni proteini su amipatini, jer imaju polarne strane lanaca aminokiselina u jednom regionu molekula i nepolarne strane lanaca grupisane zajedno u odvojenom regionu. Integralni proteini su u membrani orijentisani kao i forsfolipidi: polarni regioni su okrenuti prema površini zajedno sa polarnim molekulima vode, a nepolarni ka unutrašnjosti elije, udrueni sa nepolarnim lancima masnih kiselina. Slino membranskim lipidima, neki integralni proteini mogu se pomerati lateralno, mada veina ne moe, jer su vezani za mreu perifernih proteina (spoljašnjih i unutrašnjih) smeštenih prvenstveno na citosolnoj strani membrane (unutrašnji proteini) (Sl. 2.2) [13].
Mnogi integralni proteini u obliku kuglastih, globularnih molekula, rasporeeni su izmeu lipidnih molekula. Neki od njih su samo delimino uklopljeni u lipidni dvosloj i štre sa spoljašnje ili unutrašnje strane. Drugi integralni proteini toliko su veliki da prolaze kroz celu membranu jednom ili više puta sa jedne na drugu stranu, pa se nazivaju transmembranski proteini. Oni imaju nepolarne krajeve sa unutrašnje strane membrane, a polarne mogu imati ak izvan površine elije. Neki od transmembranskih proteina formiraju jonske kanale za prolaz vode i elektrolita [natrijuma (Na+), kalijuma (K+), kalcijuma (Ca2+)], dok su drugi predodreeni za
33
transmisiju hemijskih signala ili su zakaeni za ekstracelularne i intracelularne ilamente plazmamembrane.
Integralni proteini koji kontrolišu membransku propustljivost (permeabil- nost) mogu se podeliti na tri uopštene grupe: pumpni, nosei, i kanalni, od kojih svaka grupa ima razliita svojstva (Tabl. 2.1) [10].
TABELA 2.1 Karakteristike tri tipa integralnih proteina koji transportuju jone i ostale supstance kroz elijsku membranu [10].
Karakteristika Pumpa Nosa Kanal
Brzina (joni/s) 100 <1000 106
Gradijent „Uzbrdo“1 „Nizbrdo“2 „Nizbrdo“
Potrošnja energije Potrebna Nije potrebna Nije potrebna
Joni/konformaciona promena ~1 ~1 Mnogo
Skraenice i objašnjenja: 1„Uzbrdo“, vue supstancu suprotno koncentracijskom gradijentu, a „nizbrdo“ u pravcu koncentracijskog gradijenta; 2Moe vui drugu supstancu „uzbrdo“, nasuprot koncentracijskom gradijentu.
Unos materija kroz plazmamembranu naziva se endocitoza (gr. endon, u + kitos, elija), za razliku od izluivanja supstanci iz elije koje nosi naziv egzocitoza [gr. exo (ekso), van + kitos, elija], pri emu se ne narušava integritet elijske membrane. Sve elije tela, izuzev zrelih crevenih krvnih zrnaca [eritrocita (gr. eritros, crven + kitos, elija)], koriste fundamentalni proces endocitoze za zarobljavanje va- nelijskih molekula pomou uvlaenja u membranske vezikule ili vakuole stvorene od plazmamembrane. Prema vrsti supstance i veliini endocitoznih vezikula, endocitoza se deli na pinocitozu i fagocitozu. Pinocitoza (gr. pinein, piti + kitos, elija) je proces endocitoze vanelijske tenosti i u njoj rastvorenih supstanci, za razliku od fagocitoze (gr. fagein, jesti + kitos, elija), koja podrazumeva proces ingestije u velikim fagozomima krupnih stranih supstanci (elija, stranih tela) ili mrtvih, ošte- enih sopstvenih elija ili njihovih delova [10].
Ugljenohidratni delovi glikolipida i glikoproteina štre sa spoljne strane membrane i ine vane sastojke speciinih molekula zvanih receptori. Oni uestvuju kao posrednici u mnogim interakcijama, kao što su elijska adhezija, prepozna- vanje i odgovor na dejstvo mnogih faktora, ukljuujui hormone, i strane supstance. Receptori mogu biti rasporeeni po celoj plazmamembrani ili grupisani u male regione koji se nazivaju obloene ili klatrinske jamice. Vezivanje liganda (molekula velikog ainiteta za receptor) prouzrokuje grupisanje, prethodno difuzno raspore- enih receptora, u klatrinsku jamicu, koja se uvlai, odvaja od elijske membrane i formira klatrinsku vezikulu sa ligandom i receptorom u njoj. Klatrinska vezikula dalje gubi svoj omota klatrin i spaja se sa endozomima, organelama sa kiselom sredinom, gde se razgrauje. Nakon toga, receptor se esto vraa na elijsku mem-
34
BIOMATERIJALI
branu, a ligand ree u vanelijski prostor, što se moe ponoviti više puta (reciklira- nje). Ovaj proces se naziva receptorom posredovana endocitoza [10], ili receptogena endocitoza [5].
Periferni membranski proteini nalaze se na površini plazmamembrane, gde su labavije vezani za polarne regione integralnih membranskih proteina. Oni nisu amipatini i ne udruuju se sa nepolarnim regionima lipida na unutrašnjoj strani membrane. Veina perifernih membranskih proteina nalazi se na unutraš- njoj, citosolnoj strani membrane (unutrašnji proteini) (Sl. 2.2) [13], gde su udrueni sa citoskeletnim strukturama koje utiu na elijski oblik i pokretljivost.
Ekstracelularna površina plazmamembrane sadri i male koliine ugljenih hidrata, kovalentno vezanih za neke membranske lipide i proteine (Sl. 2.2) [13], ukljuujui iz elije sekretovane glikoproteine i proteoglikane. Ovi ugljeni hidrati sastoje se od kratkih, razgranatih lanaca monosaharida, koji štre izvan elijske po- vršine u ekstracelularnu tenost, gde formiraju spojeni, „šeerom obmotan“ elijski sloj poznat kao glikokaliks [4]. Glikoforin je jedan od brojnih glikoproteina naenih u plazma membrani eritrocita i drugih elija, iji oligosaharidi veinom štre izvan elije [12]. Površinski ugljeni hidrati imaju znaajnu ulogu u sposobnosti prepozna- vanja i interakcije elije sa drugim elijama ili vanelijskim molekulima.
Lipidi u spoljnoj polovini dvosloja razlikuju se u mnogo emu od lipida sa unutrašnje polovine, kao i sami proteini ili njihovi molekuli. Mnoge funkcije membrane vezane su za ovu asimetriju u hemijskom sastavu izmeu dve površine membrane.
Membranski meuelijski spojevi jesu membranske strukture u kojima su elije spojene tako da su njihove površine u direktnom meusobnom kontaktu, izuzev odreenih specijalizovanih spojeva, koji slue za izgradnju tkiva. Ovde obino postoji prostor izmeu spojenih plazmamembrana, koji je ispunjen ekstracelu- larnom tenošu, tako da omoguava put za razmenu supstanci izmeu elija, kao i izmeu elija i krvi.
Sile koje organizuju elije u tkiva i organe još uvek nisu dovoljno izuene, ali izgleda da zavise od sposobnosti odreenih transmembranskih proteina, zvanih integrini, da veu speciine proteine ekstracelularnog matriksa (ECM) za membranske proteine na spojenim elijama. vrsto povezivanje elija naroito je izra- eno u epitelnim tkivima, koja su izloena silama rastezanja i pritiska (npr. koa). Kadherini su familija transmembranskih glikoproteina, koja u prisustvu jona Ca2+ obezbeuju vrsto povezivanje takvih vrsta elija [5,10]. I interdigitacije izmeu nabora membrana susednih elija poveavaju meuelijsku adheziju. Lateralne membrane mnogih epitelnih elija esto sadre modiikacije plazmaleme zvane meuelijski spojevi. Osim epitelnih elija, i mnoge druge elije iziki su povezane na diskretnim mestima du membrane pomou specijalizovanih tipova spojeva. U epitelnim tkivima razni spojevi su razmešteni odreenim redom od vrha elije do njene baze: vrsti spoj (zonula occludens), adherentni spoj (zonula adherens), pukotinasti spoj (gap junction), i dezmozom i hemidezmozom (desmosome ili macula adherens) (Sl. 2.3) [13].
35
ELIJE I TKIVA
vrsti spojevi (tight junctions ili zonula occludens) nalaze se pri samom vrhu elije, spajajui meusobno spoljašnje slojeve elijskih membrana oko cele e- lije u vidu pojasa, tako da izmeu njih nema ekstracelularnog prostora. Ovi spojevi vrše okluziju, zatvarajui intercelularni prostor prema lumenu elija. vrsti spojevi onemoguavaju kretanje veine organskih molekula izmeu spojenih elija, mada mogu slabo propuštati vodu i male jone. Veina epitelnih elija (posebno absor- ptivni i sekretorni epiteli) spojena je pomou vrstih spojeva, tako da je transfer materija ogranien i usmeren kroz druge delove elija [13].
Odravanje elijskog polariteta (apikalni i bazolateralni) odnosno domena, veinom je funkcija vrstih spojeva [13]. Izmeu dve epitelne elije postoji samo jedan vrsti spoj, za razliku od brojnih dezmozoma i pukotinastih spojeva koji mogu postojati izmeu istih elija [13].
SLIKA 2.3 Glavni tipovi intercelularnih spojeva [13].
36
BIOMATERIJALI
Adherentni spojevi (zonulae adherens) rasporeeni su u obliku krunog adhezionog pojasa (adhesion belt) oko cele elije, samo dublje od vrstih spojeva, prema bazi elije. Kadherinski transmembranski proteini jesu komponente adhe- rentnih spojeva i funkcionišu udrueni sa aktinskim ilamentima iz citoplazme [13].
Dezmozomi (gr. desmos, veza + soma, telo) ili maculae adherens, sastoje se od regiona izmeu dve spojene elije, gde su pripojene membrane odvojene gustom akumulacijom proteina na citoplazmatskoj površini svake membrane i u prostoru izmeu njih. Vlakna, koja se pruaju od citoplazmatske površine u eliju, povezuju dodatno i druge dezmozome na suprotnoj strani elije, formirajui krunu ploicu (plak) nazvanu privršujui plak, izgraenu od najmanje 12 razliitih vrsta proteina [5]. Funkcija dezmozoma je da vrsto dri spojene elije u regionima gde postoji istezanje, kao što su slojeviti epiteli, posebno koe i creva. Dezmozomi se nalaze na svim lateralnim površinama elija, osim apikalno i bazalno gde su substrat vezivnog tkiva bazalne membrane, povezujui elije preko dezmogleina i dezmokolina, lanova kadherinske familije kalcijum zavisnih meuelijskih adhezionih molekula [10,13].
Hemidezmozomi (gr. hemi, pola + desmos, veza + soma, telo) jesu dezmo- zomski spojevi koji se nalaze izmeu epitelnih elija i vezivnog tkiva, na bazalnoj plazma membrani epitelnih elija, spojenih sa bazalnom laminom, pri emu te spo- jeve odravaju integrinski molekuli elija u interakciji sa molekulima laminina bazalne lamine [10,13]. Integrini su familija transmembranskih proteina, koji predstavljaju receptore za ekstracelularne makromolekule laminin i kolagen tipa IV [5].
Komunikantni spojevi, pukotinasti spojevi (gap junctions) ili pukotinasti spojni kanali (PSK) [gap junction channels (GJC)] jesu meuelijski spojevi, koji se sastoje od posebnih proteinskih jedinica, koneksona dugih oko 10 nm [10], koje daje svaka elija da bi premostila „pukotinu“ od 2–3 nm izmeu dve elije [13]. PSK izgledaju kao dva mala heksagonalna cilindra, sastavljena od šest strukturnih jedinica transmembranskih proteina koneksina, organizovanih kruno, formirajui centralni kanal prenika 1–2 nm, proseno 1,2 nm u sisara [10], odnosno 1,5 nm u oveka [5]. Koneksini pripadaju veoj familiji proteina, koji su razliito distribuira- ni i formiraju kanale sa razliitim iziološkim osobinama. Putem ovih kanalia moe se obavljati u oba pravca razmena hidroilnih supstanci male molekulske teine, manje od 1500 D {ciklini adenozinmonofosfat [adenosine-3’,5’-cyclic monophosphate (cAMP)], ciklini guanozinmonofosfat [guanosine-3’,5’-cyclic monophosphate (cGMP)], joni, šeeri, aminokiseline, peptoni, lipidi, hormoni, vitamini, metaboli- ki produkti} [5,15]. Mnogi faktori regulišu reverzibilno otvaranje i zatvaranje PSK, ukljuujui transjunkcionalnu voltau, citoplazmatske koncentracije jona vodonika (H+) i Ca2+, kao i protein kinaze [10]. PSK nalaze se izmeu mnogih elija u orga- nizmu (epitelne, glatke mišine, poprenoprugaste elije srca, elije jetre, Langer- hansovog ostrvca pankreasa, osteociti, neuroni, glija, i dr.), mada se mogu nanovo formirati gotovo izmeu svih elija, ukljuujui i neurone (gr, neuron, ivac) i gliju (gr, glia, lepilo; nervno potporno tkivo) [16], pa ak i aktivisane leukocite (gr, leukos, beo + kitos, elija) [17]. PSK postoje u gotovo svim tkivima sisara, jedino ih nema izmeu skeletnih mišinih elija [5].
37
PSK koordiniraju razne aktivnosti spojenih elija u elektrinom (elektrine sinapse) i hemijskom (humoralnom i metabolikom) smislu. Brzina prenošenja akcionih potencijala u ovim elektrinim sinapsama je izuzetno velikih frekvenci- ja (>1000 u sekundi) [10]. Zahvaljujui tim svojstvima, PSK predstavljaju morfo- funkcionalnu osnovu ontoilogenetski najstarijeg sistema za prenos informacija u ivom svetu, sistema telesnih (akupunkturnih) meridijana i njihovih releksogenih (akupunkturnih) taaka [15,17].
Jedro (nucleus) jeste okrugla ili ovalna struktura smeštena obino u sredini elije, koju sadre gotovo sve elije (Sl. 2.1) [11, 13]. Neke specijalizovane elije, kao što su skeletne mišine elije, sadre više jedara, dok zreli eritrociti i trombociti nemaju uopšte jedra. Jedro sadri genetski plan za sve elijske strukture i funkcije, koje su kodirane u DNK hromozoma. Primarna funkcija jedra je da uva i prenosi genetske informacije za sledeu generaciju elija. Ove informacije, u formi DNA, koriste se za sintezu proteina koji odreuju strukturu i funkciju elije. U jedru se, takoe, vrši replikacija DNK i sintetišu i obrauju sve forme RNK: ribozomalna RNK [ribosomal (rRNA), informaciona ili glasnika RNK [messenger (mRNA)], i transpor- tna RNK [transfer (tRNA)] [4].
RNK ostvaruju mnoge funkcije: mRNK upravlja sintezom proteina, tRNK donosi ispravne aminokiseline do rastueg proteinskog lanca, i rRNK obezbeuje katalitiki centar za sintezu proteina [10]. Mitohondrije imaju mali DNK genom koji stvara RNK, koja se koristi u toj organeli, ali taj genom je toliko mali da nije dovoljan ni za samu mitohondriju. U jedru se ne sintetišu proteini, ve se oni unose (impor- tuju) u jedro iz citoplazme.
Osnovne komponente jedra su: nuklearni omota, hromatin, nukleolus i nukleusni matriks. Veliina i karakteristike jedra jednake su u elijama iste vrste zdra- vog tkiva. Zloudne tumorske elije, nasuprot tome, imaju jedra nepravilnog oblika, razliite veliine i atipinog rasporeda hromatina [4].
Nukleusni omota ili nukleusna membrana se kao barijera nalazi oko jedra, sastavljen od dve paralelne membrane, odvojene uskim prostorom nazvanim peri- nukleusna cisterna (Sl. 2.1) [11, 13]. U pravilnim razmacima du površine nukleu- snog omotaa, dve membrane se spajaju, formirajui rubove krunih otvora pozna- tih kao nukleusne pore, koje kontrolišu prolaz supstanci izmeu jedra i citoplazme. Nukleusne pore nisu stalno otvorene, vee se sastoje od oktogonalnog kompleksa pore, koji sadri više od 100 proteina [5]. Pošto nukleusni omota nije propustljiv za jone i molekule svih veliina, razmena izmeu jedra i citoplazme mogua je samo kroz nukleusne pore. Joni i molekuli prenika do 9 nm lako prolaze kroz nukleusnu poru bez utroška energije, za razliku od veih molekula koji se prenose aktivnim procesom u kojem posreduju receptori i troši se energija adenozin trifosfata [adenosine triphosphate (ATP)] [5, 10].
Molekuli RNK koji regulišu ekspresiju genetskih informacija kreu se izme- u jedra i citoplazme kroz ove nukleusne pore. Kretanje veoma velikih molekula, kao što su RNK i proteini, selektivno je, da bi se ograniilo za speciine makromolekule. U proces transfera ukljuen je energetski zavisan proces, koji menja promer pora u reakciji na speciine signale.
38
BIOMATERIJALI
Hromatin predstavlja inu mreu spiralnih konia formiranu pomou DNK u asocijaciji sa proteinima. Hromatin najveim delom grade spiralizovane niti DNK vezane za bazne proteine (histone). Hromatin van deobe u stvari ine hromozomi koji nisu dovoljno izuvijani.
U jedru enskih, ali ne i muških elija, postoji grudvica hromatina koja se naziva polni hromatin, i predstavlja jedan (inaktivni) od dva X hromozoma, koji se nalaze u enskim elijama [8]. X-hromozom koji gradi polni hromatin trajno je vrsto izuvijan i zato je vidljiv, dok je drugi X-hromozom neizuvijan i zato se ne vidi. U epitelnim elijama (npr. sluzokoe obraza) polni hromatin se vidi kao malo zrnce priljubljeno uz nukleusni omota, dok u neutroilima izgleda kao privezak jedra u obliku bubanjske palice [5] i naziva se Barovo telo (Barr body) [10,13]. Osim dva polna hromozoma, u ena XX i u muškaraca XY, preostali hromozomi se grupišu po redu u 22 para hromozoma oznaena arapskim brojevima u skladu sa njihovim morfološkim svojstvima.
Jedarce (nucleolus) je organela jedra, loptastog izgleda, bez membrane, mesto transkripcije rRNK i ribozomalnih subjedinica (Sl. 2.1) [11,13]. U nukleolusu se mogu razlikovati tri dela: (1) nukleolusni organizacioni centri, sa nukleolusnim organizatorom DNK, kojeg ine sekvence baza koje sadre šifru za rRNK; (2) ibri- larni region, tesno povezan sa nukleolusnim centrima, kojeg ine gusto upakovani lanci rRNK u procesu transkripcije – pars ibrosa; i (3) granularni region, pars gra- nulosa, koji se sastoji od granula (nezreli ribozomi) [5,10]. U jedarcu se proteini, sintetisani u citoplazmi, udruuju sa rRNK i tada ribozomske subjedinice prelaze u citoplazmu. U jedru se rRNK sintetišu i modiikuju, a u jedarcu proteinske komponente ribozomalnih subjedinica se organizuju, da bi ove subjedinice migrirale kroz nuklearne pore do citoplazme, gde se kombinuju, formirajui funkcionalne ribozo- me. Veliki nukleolusi se susreu u embrionalnim elijama koje proliferišu, u elijama koje sintetišu proteine i u malignim tumorima koji brzo rastu [5,10]. Nukleolusi išezavaju tokom poetne faze (profaze) elijske deobe i pojavlju se u završnoj fazi (telofazi) [5,10].
Nukleusni matriks je deo jedra koji ispunjava prostor izmeu hromatina i je- darca (Sl. 2.1) [11]. Sastoji se uglavnom od proteina (od kojih neki imaju enzimsku aktivnost), metabolita i jona [5,10].
Citoplazma elije sadri dva dela: (1) elijske organele; i (2) citosol (citoplazmatska solucija ili rastvor), tenost ili luid koji okruuje organele.
Citoplazma elije je membranama izdeljena u razne odeljke, koji regulišu intracelularni tok jona i molekula. U tim odeljcima koncentrisani su enzimi i supstance koje poveavaju aktivnost elije.
elijske organele jesu male relativno nezavisne strukturne jedinice elije, iji broj i veliina zavise od specijalizovanosti elije za obavljanje odreene funkcije.
Ribozomi (lat. ribosum, riboza + gr. soma, telo) jesu pogoni za proizvodnju proteina, pomou rRNK, koji se nalaze u svim elijama, sa karakteristinim brojem i rasporedom za svaku eliju. U ribozomima sintetišu se neki proteinski molekuli od aminokiselina, koristei genetske informacije nošene pomou glasnikog molekula
39
ELIJE I TKIVA
mRNK od nuklearne DNK iz jedra. Veliki broj proteina ribozoma sintetiše se u citosolu, potom ulaze kroz nukleusne pore u jedro gde se udruuju sa rRNK. Posle toga, subjedinice napuštaju jedro i ulaze u citosol, gde uestvuju u sintezi proteina.
Pojedinani ribozomi povezani lancem mRNK formiraju funkcionalne jedinice poliribozome (polizome) [4,10]. mRNK nosi poruku iz jedra u obliku šifre za re- dosled aminokiselina u proteinima koji se sintetišu u eliji. Ribozomi imaju kljunu ulogu u dešifrovanju ili translaciji te poruke za vreme sinteze proteina. Ribozomi mogu biti slobodni u citoplazmi ili vezani za membrane endoplazmatskog retikuluma i jedra (Sl. 2.1) [11, 13].
Endoplazmatski retikulum jeste najvea citoplazmatska organela koju ini mrea membrana (gr. endo, unutra + lat. reticulum, mrea), gradei meusobno povezane kanale i cisterne. Membrane zatvaraju prostor koji se nastavlja kroz mre- u granuliranog (hrapavog) ili agranuliranog (glatkog) retikuluma [5, 10, 11, 13] (Sl. 2.1).
Granulirani endoplazmatski retikulum (GER) sadri poliribozome vezane njihovom citosolnom stranom (Sl. 2.1) [11, 13]. Poliribozomi mu daju granulirani (zrnast) izgled, a slue za sintetizu proteina, koji ulaze u cisterne. Vreaste ili paralelno naslagane pljosnate cisterne GER-a, ograniene membranama, u kontinuitetu su sa spoljašnjom membranom nuklearnog omotaa. GER je bolje razvijen u elijama koje intenzivno sekretuju proteine, kao što su elije egzokrinog (gr. exo, spolja + krinein, izluiti) pankreasa (digestivni enzimi), ibroblasti (kolagen), i aktivirane B-elije ili plazmociti (imunoglobulini) [5,10].
GER je ukljuen u poetnu glikolizaciju glikoproteina, sintezu fosfolipida, i promene u strukturi tek sintetisanih polipeptida, mada je izdvajanje proteina koji nisu namenjeni za citosol njegova glavna funkcija. Sinteza svih proteina poinje na poliribozomima koji nisu privršeni za GER, a završava se njihovom raspodelom za trajno i privremeno intracelularno deponovanje, i ugraivanje u druge membrane (npr. integralni proteini).
Agranulirani endoplazmatski retikulum (AER) nema poliribozome na svojoj površini, niti cisterne, nego ima razgranate tubularne strukture (Sl. 2.1) [11, 13]. Pritom, obe vrste retikuluma zajedno postoje u istoj eliji, ali u razliitom odnosu, zavisno od tipa elije i perioda elijske aktivnosti. AER je vrlo razvijen u elijama jetre, gde je odgovoran za procese oksidacije, konjugacije i metilacije, putem kojih se vrši denaturacija odreenih supstanci i hormona, kao i detoksikacija (npr. barbi- turata). AER je mesto sinteze molekula lipida, fosfolipida, steroidnih hormona. Je- dan od glavnih procesa u AER je konjugacija toksinog bilirubina nerastvorljivog u vodi pomou enzima glukuronil-transferaze, pri emu nastaje netoksini bilirubin- glukuronid rastvorljiv u vodi [5,10]. AER uestvuje i u procesu kontrakcije miši- nih elija, u specijalnom obliku zvanom sarkoplazmatski retikulum, gde se takoe deponuju i oslobaaju joni Ca2+ ukljueni u kontrolu mnogih elijskih aktivnosti, posebno mišine kontrakcije [10].
Goldijev kompleks (aparat) ini niz kupastih, tesno proljubljenih, nasla- ganih, spljoštenih, lako zakrivljenih membranskih kesica ili cisterni, udruenih sa brojnim vezikulama [4, 11, 13] (Sl. 2.1). Goldijeve vakuole se pupljenjem odvajaju
40
BIOMATERIJALI
od Goldijevih cisterni, postaju vezikule, koje transportuju proteine na razna mesta. Proteini u Goldijevom kompleksu, poreklom iz GER, podleu nizu sekvencijal- nih modiikacija, koncentrišu se, sortiraju, deponuju i pakuju (oblau membranom) za dalju distribuciju u transportnim vezikulama sve do plazma membrane, gde se iz vezikula oslobaaju van elije. Ove vezikule, koje sadre proteine za izluivanje, nazivaju se sekretorne vezikule.
Mitohondrije (gr. mitos, vlakno, konac + chondros, zrnca, grašice) jesu ovalne ili izduene štapiaste strukture, obavijene sa unutrašnjom i spoljašnjom membranom, izmeu kojih je intermembranski prostor. Spoljašnja membrana je glatka, dok je unutrašnja podeljena na resice ili tubule poznate kao kriste, koje štre u unutrašnjost mitohondrijalne sredine, koja se naziva matriks (Sl. 2.1) [11]. Kriste poveavaju unutrašnju površinu mitohondrija, sadre enzime i druge sastojke koji uestvuju u aerobnom metabolizmu: oksidativnoj fosforilaciji i u sistemu transporta elektrona. Fosforilacijski sistem adenozin difosfat [adenosine diphosphate (ADP)] – adenozin trifosfat [adenosine triphosphate (ATP)] nalazi se u globularnim strukturama koje su valjkastim drškama spojene sa unutrašnjom membranom [5,10]. Ove globularne strukture predstavljaju kompleks proteina sa aktivnošu enzima ATP-sintetaze, koji u prisustvu ADP i neorganskog fosfata stvaraju ATP. Prema he- moosmotskoj teoriji, ATP se sintetiše kao posledica protoka protona kroz globularne jedinice [5,10,11,13].
Od ukupne energije, oko 50% se nalazi skladišteno u fosfatnim vezama molekula ATP, a preostalih 50% se gubi kao toplota u toku odravanja telesne tempe- rature [5]. Veinu ATP-a koristi elija, u procesu oksidativne fosforilacije, pri emu se troši kiseonik (O2), a proizvodi ugljen dioksid (CO2). ATP brzo otpušta energiju dejstvom enzima ATP-aze, koji se aktivira signalima izike (mehanike, elektrine, osmotske) ili hemijske prirode.
Broj mitohondrija i kristi srazmeran je energetskoj aktivnosti elije u kojoj se nalaze. Mitohondrije su sklone nakupljanju u velikom broju (oko 1000) u elijama koje koriste velike koliine energije [8,13], kao što su apikalni delovi elija sa trepljama, srednji delovi repa spermatozoida ili bazalni delovi elija koje transportuju jone [5].
Mitohondrijalni matriks se nalazi izmeu krista, bogat je proteinima, ima cirkularne molekule DNK i tri vrste RNK [5,13]. Mitohondrije imaju male koliine cirkularne DNK, koja sadri gene za sintezu nekih mitohondrijalnih proteina. Cir- kularna DNK, koja koristi malo razliit genetski kod od nuklearne DNK, slina je bakterijskoj DNK u hromozomima, a postala je milione godina pre [5] kao rezultat intracelularne simbioze [12].
U matriksu se nalaze i tri vrste RNK: rRNK, mRNK, i tRNK, potrebne za sintezu proteina u mitohondrijalnim ribozomima, koji su slini bakterijskim i manji od citosolnih ribozoma. Zbog male koliine mitohondrijalne DNK ovde se sintetiše mali deo mitohondrijalnih enzima, a veina u citosolnim ribozomima, koje kodira nuklearna DNK, da bi potom kao manji molekuli, sa manjim brojem aminokiselina, lako ušli u mitohondrije.
41
ELIJE I TKIVA
Matriks sadri enzime ukljuene u Krebsov ciklus limunske kiseline i β-oksi- da ciju masnih kiselina, kao i guste granule bogate sa Ca2+, koje slue za aktivno pum- panje i deponovanje Ca2+, odravajui time njegov nizak nivo u citosolu [5].
Lizozomi (gr. lysis, rastvaranje + soma, telo) jesu sferine ili ovalne elijske organele okruene jednom membranom, koje vrše intracelularno varenje i obnovu elijskih delova (Sl. 2.1) [11]. Tipina elija moe imati nekoliko stotina lizozoma, koji su naroito brojni u elijama sa fagocitnom sposobnošu (npr. makrofagi, neutroili). Tenost u lizozomu je slabo kisela i sadri mnoštvo (> 40) raznih digestiv- nih enzima, od kojih su najbrojnije kisele fosfataze, RNK-aze, DNK-aze, proteaze, sulfataze, lipaze, i β-glukuronidaze [5]. Lizozomalni enzimi sintetišu se i odvajaju u GER, a zatim transportuju u Goldijev kompleks, gde se modiikuju i pakuju za lizozome. Lizozomi deluju kao pojedinani „elijski eluci“, uništavajui bakterije i ostatke sopstvenih mrtvih i ošteenih elija (debris) koje je ingestirala elija. Oni mogu, takoe, uništiti i sopstvene ošteene i nefunkcionalne organele, što se naziva autodigestija pomou autofagozoma (gr. autos, sam + fagein, jesti + soma, telo). Tako elija obnavlja i reciklira svarene proizvode u cilju njihovog ponovnog kori- šenja u citoplazmi. Nesvarene materije nazivaju se rezidualna tela, ija akumulaci- ja stvara lipofuscin ili pigment starenja [13]. Lizozomi imaju posebno vanu ulogu u raznim elijama, inei odbrambeni sistem u celini ne samo elija, nego tkiva, organa i samog organizma.
Peroksizomi (peroksid + soma, telo) ili mikrotelašca jesu organele sline lizozomima, po svom ovalnom obliku i okruenošu jednom membranom, mada je njihov hemijski sastav sasvim razliit. Peroksizomi ne uestvuju direktno u elijskom metabolizmu. Slino mitohondrijama, peroksizomi koriste O2, mada u mnogo manjim koliinama, ali ovaj O2 se ne koristi u hemijskim reakcijama za proizvodnju ATP-a. Peroksizomi koriste O2 prvenstveno za razgradnju odreenih produkata nastalih upravo od O2. To se dešava pomou oksidacije speciinih organskih sup- strata uklanjanjem atoma H+ koji se prenosi na molekul O2. Tako nastaje vodonik peroksid (H2O2), koji moe biti sasvim toksian po eliju, po kojem je ova organela i dobila naziv. Za zaštitu peroksizomi imaju enzim katalazu, koji razgrauje H2O2 na vodu i kiseonik (2H2O22H2O+O2). Peroksizomi u elijama jetre i bubrega dodatno proizvode H2O2 i koriste ga za detoksikaciju raznih ingestiranih molekula, kao što je etilalkohol (50%) ili mnogobrojne hemijske supstance, ukljuujui lekove [5].
Peroksizomi sadre razne enzime ukljuene u metabolizam lipida, uestvu- jui mnogo više u β-oksidaciji masnih kiselina dugog lanca (≥18 atoma C) nego mitohondrijski enzimi [13], kao i u stvaranju holesterola i unih kiselina [5].
Citoskeletni ilamenti jesu tipine citoplazmatske organele citosola organi- zovane kao vlaknasta mrea koja se oznaava kao elijski citoskelet, zbog slinosti sa funkcijama telesnog skeleta u procesu odravanja i menjanja elijskog oblika i produkcije elijskih pokreta. Citosol zauzima polovinu ukupne zapremine elije, a ispunjen je inom mikrotrabekularnom mreom koja povezuje aktinske ilamente, intermedijarne ilamente, enzime i druge rastvorljive sastojke, stvarajui tako i citosol (citomatriks) odreene strukture.
42
BIOMATERIJALI
Citosol koordinira kretanje organela u eliji, a koliina njegovih sastojaka odreuje stepen viskoziteta citoplazme. Rastvorljivi, membranama neogranieni enzimi, kao što su enzimi glikolitikog puta, funkcionišu eikasnije kada su poreani odreenim redosledom, umesto da zavise od sluajnog susreta sa svojim supstra- tima. Citosol formira mreu za takav organizovan sistem biohemijskih procesa. On sadri na hiljade enzima koji produkuju blokove za velike molekule i cepanje ma- lih molekula za oslobaanje energije. Sva mašinerija koja sintetiše proteine (rRNK, mRNK, tRNK, enzime i druge faktore) nalazi se u citosolu.
Postoje etiri grupe citoskeletnih ilamenata, zasnovane na njihovom pre- niku i tipovima proteina koje sadre. Prema veliini, polazei od najtanjih, to su: (1) mikroilamenti; (2) intermedijarni ilamenti; (3) mišini tanki ilamenti; i (4) mikrotubule [8, 10] (Sl. 2.1).
Mikroilamenti i mikrotubule mogu se stvarati i razgraivati vrlo brzo, na- terujui eliju da prati promene citoskeletne mree adekvatno zahtevima okoline. Suprotno tome, intermedijarni ilamenti i mišini tanki ilamenti, jednom kada se stvore, teško se razgrauju.
Mikroilamenti, koji se sastoje od kontraktilnog proteina, aktina, ine glavni deo citoskeleta u svim elijama. Aktinski ilamenti zastupljeni su sa nekoliko tipova u svim vrstama elija. U elijama, mikroilamenti mogu biti organizovani na više naina: (1) u skeletnim mišiima aktinski ilamenti imaju perakristalni raspored, udruen sa debelim miozinskim ilamentima; (2) u najveem broju elija aktinski ilamenti formiraju tanak sloj neposredno ispod plazmaleme (elijski korteks), ue- stvujui u procesima endocitoze, egzocitoze, i elijske pokretljivosti; (3) aktinski ilamenti tesno su povezani sa raznim organelama, vezikulama i granulama citoplazme, gde uestvuju u kretanju i premeštanju citoplazmatskih delova (strujanje citoplazme); (4) aktinski ilamenti udrueni su sa miozinom, formirajui prsten od ilamenata, ijom konstrikcijom se razdvajaju elije u mitozi; i (5) u najveem broju elija, aktinski ilamenti naizgled su bez reda rasuti po citoplazmi [5,10]. Polovina aktina u eliji je u obliku mikroilamenata, dok veina aktivnosti aktinskih ilamenata zavisi od interakcije miozina sa aktinom.
Intermedijarni ilamenti najviše se razvijaju u regionima elije izloenim mehanikom stresu. Keratini (gr. keras, rog) jesu proteini koji se nalaze u epitelnim tkivima (epidermu, noktima) sa oroavanjem i bez oroavanja [5,10]. Vimentinski ilamenti jesu proteini karakteristini za elije mezenhimalnog porekla, koji mogu kopolimerizovati sa dezminom i glijalnim kiselim proteinom, a nalaze se u ibrobla- stima, hondroblastima, makrofagima, endotelnim elijama, i vaskularnim glatkim mišinim elijama [5,10]. Dezmin (skeletin) jeste protein koji se nalazi u glatkim mi- šinim elijama (osim u krvnim sudovima) i Z-linijama skeletnih i sranih mišinih elija [5,10]. Glijalni ilamenti [glial ibrilar acidic protein (GFAP)] karakteristini su za astrocite, a neuroilamenti za neurone, u kojima imaju razliite strukture i funkcije u telima i produecima [5,10].
Miozinski tanki ilamenti, sastavljeni od traka kontraktilnog proteina miozina, naeni su samo u mišinim elijama. Pojedinani molekuli miozina nalaze se
43
ELIJE I TKIVA
u veini nemišinih elija, gde su ukljueni u produkciju sila udruenih sa raznim elijskim pokretima [5,10].
Mikrotubuli su tanke (gr. mikros, sitan + lat. tubus, cevica) cevaste strukture razne duine, ije subjedinice su sastavljene od 13 protoilamenata proteinskih molekula (α i β) tubulina [5]. Citoplazmatski mikrotubuli jesu krute strukture koje imaju znaajnu ulogu u stvaranju i odravanju oblika elije, kao i njene asimetrinosti (polarizovanosti). Oni uestvuju i u intracelularnom transportu organela, vezikula, molekula, kao i u kretanju hromozoma du deobnog vretena. Ovi ibrozni elementi formiraju trake du kojih organele bivaju terane, kao propelerom, da se kreu pomou kontraktilnih proteina privršenih za površinu organela. Transport du mikrotubula pod kontrolom je specijalnih proteina, zvanih motorni proteini, koji koriste energiju za kretanje molekula i vezikula [10]. Mikrotubuli ine struk- turnu osnovu za odravanje oblika elije i njenih izdanaka (cilindrian oblik ner- vnih produetaka), kao i za elijske strukture, posebno centriole, cilije i lagele (Sl. 2.1).
Intracelularna tenost (intracelularni luid) jeste celokupna tenost u e- liji, ili, bolje reeno, citosol plus tenost u organelama, ukljuujui i jedro. Hemijski sastav tenosti u elijskim organelama razlikuje se od citosola, koji sadri daleko najviše tenosti i elektrolita, uz dodatne depozite ugljenih hidrata, lipida i pigme- nata.
2.1.2 Fiziološka organizacija elija
Svaki ljudski organizam vodi poreklo od jedne oploene jajne elije, koja od momenta oplodnje (fertilizacija) poinje uzastopno da se deli, pri emu nastaju dve, pa etiri, osam, šesnaest elija... i tako redom do krajnjeg rezultata u obliku mase identinih elija. Tokom razvoja, prema svom genetskom kodu, svaka elija postaje specijalizovana za posebnu funkciju, kao što je produkcija sile i pokreta (mišine elije), stvaranje elektrinih signala (nervne elije) ili odbrana organizma od stranih tela i supstanci (imunske elije). Takav proces transformisanja nespecijalizo- vane elije u specijalizovanu eliju naziva se elijska diferencijacija [8]. Zajedno sa diferencijacijom, tokom razvoja elije odlaze na novo mesto (migracija) i formiraju posebne veze (selektivne adhezije) sa ostalim elijama za stvaranje multielijskih struktura. Tako se elije u telu organizuju u razne kombinacije, formirajuu hije- rarhiju organizovanih struktura. Diferencirane elije sa slinim karakteristikama udruuju se u strukture koje se nazivaju tkiva (mi

biomaterijali - core.ac.uk

Documents