Вуха з яблук? Обіцянки биоинженеров лякають і радують одночасно

Заради прориву наука черпає натхнення звідусіль. Липка пластинка з бактеріями подарувала нам перший антибіотик — пеніцилін. З'єднання дріжджів з платиновим електродом під напругою подарувало нам потужний хіміотерапевтичний препарат — цисплатин. Доктор Ендрю Пеллінг з Університету Отттавы черпає свої радикальні ідеї з класики наукової фантастики «Маленький магазин жахів». Зокрема, йому подобається головний антагоніст фільму: людожерське рослина «Обри-2».

Це щось схоже на рослину з рисами ссавця, розповів Пеллінг на конференції Exponential Medicine в Сан-Дієго на цьому тижні. «Тому ми почали задаватися питанням: чи можна виростити це в лабораторії?».

Кінцева мета Пеллинга, звичайно, полягає не в тому, щоб оживити науково-фантастичного монстра. Замість цього він хоче зрозуміти, чи можуть звичайні рослини надати необхідну структуру для заміщення людських тканин.

Розквіт механобиологии

Вирощування людського вуха з яблук може здатися дивним процесом, але відправна точка Пеллинга полягає в тому, що волокнисті нутрощі разюче схожі на мікросередовища, в яких у лабораторіях звичайно вирощуються біоінженерні людські тканини.

Для виготовлення заміни вуха, наприклад, вчені зазвичай вирізають або друкують на 3D-принтері порожнисті опорні структури з дорогих біосумісних матеріалів. Потім вони засівають людські стовбурові клітини в цю структуру і копітко постачають її коктейлем факторів росту і поживних речовин, спонукаючи клітини рости. В кінцевому підсумку, через тижні і місяці інкубації, клітини поширюються і диференціюються шкірні клітини на лісах. У результаті виходить біоінженерна вухо.

Проблема в тому, що поріг входу дуже високий: стовбурові клітини, чинники зростання і матеріали для лісів — все це дорого купити і складно зробити.

Але чи потрібні ці компоненти в дійсності?

«Ми часто думаємо про біології крізь призму геному або біохімії», говорить Пеллінг. Але клітини і тканини є живими компонентами — вони розтягуються, стискаються і зсуваються, виробляючи механічні сили, які діють один на одного.

У ході ряду експериментів Пеллінг та інші виявили, що ці механічні сили є не просто побічним продуктом біології; скоріше, вони корінним чином регулюють лежать в основі молекулярних механізмів клітини.

Раніше дослідження показали, що кожен етап росту ембріонів — «фундаментальний процес в біології» — можна регулювати і контролювати механічної інформацією. Іншими словами, фізичні сили можуть спонукати клітини ділитися і мігрувати через тканини, оскільки наш генетичний код направляє розвиток всього організму.

В лабораторії розтягнення і механічне стимулювання клітин, мабуть, радикальним чином змінює їх поведінку. В одному з аналізів команда Пеллинга насипала ракових клітин на лист клітин, вирощених на дні чашки Петрі. Ракові клітини зібралися разом в маленькі кульки, утворивши чіткий бар'єр між микроопухолью і клітинами шкіри.

Але коли команда вчених помістила всю клітинну систему в пристрій, який її злегка розтягував — імітуючи дихання і рух тіла — клітини пухлини стали агресивними, проникаючи в шар клітин шкіри.

«Тут немає ніякої модифікації генів або навіть біохімії. Це суто механічна дія», говорить Пеллінг. «Між цими речами існує фундаментальна зв'язок».

Що ще крутіше: для того, щоб механічні сили перетворили поведінку клітин, активного руху не потрібно. Форми мікросередовища достатньо, щоб направити їх дії.

Наприклад, коли Пеллінг помістив два типи клітин у фізичну структуру з канавками, клітини самоотделились протягом декількох годин, і один тип виріс в канавках, а інший на більш високих виступах. Просто відчуваючи форму цієї рифленої поверхні, вони «навчилися» відділятися і просторово укладатися.

Отже: використовуючи тільки одну форму, можна стимулювати клітини формувати складні тривимірні моделі.

І ось тут нам допоможе яблуко.

Яблуко… або вухо?

Під мікроскопом мікросередовище яблука знаходиться в тому ж масштабі довжини, що і штучні поверхні для виготовлення замінників тканин. Це відкриття змусило вчених задуматися: невже можливо використовувати цю структуру поверхні рослин для вирощування людських органів?

Щоб перевірити це, вони взяли яблуко і вимили всі його рослинні клітини, ДНК і інші біомолекули. Залишилися тільки волокнисті лісу — вони ще застряють у вас в зубах. Коли команда помістила всередину людські і тваринні клітини, клітини почали рости й поширюватися.

Надихнувшись результатом, вчені вирізали яблуко у формі людського вуха і повторили процес вище. Через кілька тижнів клітини поширилися і перетворили шматок яблука в м'ясисте людське вухо.

Звичайно, однієї форми буде недостатньо. Замісна тканина також має прижитися всередині організму.

Потім команда имплантировала яблучні лісу прямо під шкіру миші. Всього за вісім тижнів здорові клітини миші не тільки заселили матрицю, але і тіло гризуна також справило нові кровоносні судини, які допомогли лісах жити і процвітати.

У биоинженерной тканини є три важливі властивості: вона безпечна, вона биосовместима і вона виробляється з поновлюваної, етичного джерела.

«Ця штука стає живою частиною тіла, будучивирощеної в яблуці, і нам знадобилося просто сходити в продуктовий магазин», говорить Пеллінг.

Перехід від теорії до практики

Пеллінг особливо захоплюється своїми результатами з-за простоти: для роботи не потрібні стовбурові клітини або екзотичні чинники зростання. Елегантний підхід просто використовує фізичну структуру рослини.

В даний час команда розширює свою роботу до трьох основних областей тканинної інженерії: хрящі м'яких тканин, кісткова тканина, спинний мозок і нерви. Важливість полягає в тому, щоб зіставити специфічну мікроструктуру рослини з тканиною.

І навіщо обмежуватися тілом, яке нам дала природа? Якщо форми лісів є єдиним детермінантом інженерії тканини або органу, чому б не створити свої власні форми?

Пеллінг озброївся цією ідеєю і створив дизайнерську компанію, яка буде складати лісу для трьох різних типів вух: звичайних людських вух, загострених вух, як у Спока, і хвилястих, які зможуть в теорії пригнічувати або покращувати різні частоти.

врешті-решт, всі ми там будемо, так? Розкажіть в нашому