Nauka czerpie inspirację zewsząd, aby dokonać przełomu. Z lepkiej płytki z bakteriami otrzymaliśmy pierwszy antybiotyk - penicylinę. Połączenie drożdży z platynową elektrodą pod napięciem dało nam potężny lek do chemioterapii - cisplatynę. Dr Andrew Pelling z University of Ottawa czerpie swoje radykalne pomysły z klasyku science fiction The Little Horror Store. W szczególności lubi głównego antagonistę filmu: kanibalistyczną roślinę Aubrey 2.
To coś, co wygląda jak roślina z cechami ssaków, powiedział Pelling na konferencji medycyny wykładniczej w San Diego w tym tygodniu. „Więc zaczęliśmy się zastanawiać: czy można to uprawiać w laboratorium?”
Ostatecznym celem Pellinga nie jest oczywiście ożywienie potwora science fiction. Zamiast tego chce zrozumieć, czy konwencjonalne rośliny mogą zapewnić niezbędną strukturę do zastąpienia ludzkiej tkanki.
Narodziny mechanobiologii
Wyhodowanie ludzkiego ucha z jabłek może wydawać się dziwnym procesem, ale punktem wyjścia Pellinga jest to, że włókniste wnętrza są uderzająco podobne do mikrośrodowisk, w których bioinżynieryjna ludzka tkanka jest zwykle hodowana w laboratoriach.
Na przykład, aby wymienić ucho, naukowcy rutynowo wycinają lub drukują w 3D puste struktury podporowe z drogich biokompatybilnych materiałów. Następnie zaszczepiają ludzkie komórki macierzyste w tę strukturę i skrupulatnie dostarczają im koktajl czynników wzrostu i składników odżywczych, pobudzając komórki do wzrostu. Ostatecznie po tygodniach i miesiącach inkubacji komórki namnażają się i różnicują w komórki skóry w lasach. Rezultatem jest bioinżynieryjne ucho.
Problem polega na tym, że bariera wejścia jest bardzo wysoka: komórki macierzyste, czynniki wzrostu i materiały dla lasów są drogie w zakupie i trudne w produkcji.
Film promocyjny:
Ale czy te komponenty są naprawdę potrzebne?
Dzięki serii eksperymentów Pelling i inni odkryli, że te siły mechaniczne nie są jedynie produktem ubocznym biologii; raczej zasadniczo regulują podstawowe mechanizmy molekularne komórki.
Poprzednie badania wykazały, że każdy etap wzrostu zarodka - „podstawowy proces w biologii” - może być regulowany i kontrolowany za pomocą informacji mechanicznej. Innymi słowy, siły fizyczne mogą skłonić komórki do podziału i migracji przez tkanki, ponieważ nasz kod genetyczny kieruje rozwojem całego organizmu.
W laboratorium rozciąganie i mechaniczna stymulacja komórek wydaje się radykalnie zmieniać ich zachowanie. W jednym z testów zespół Pellinga spryskał komórki rakowe arkusz komórek skóry wyhodowanych na dnie szalki Petriego. Komórki rakowe łączą się w małe kulki, tworząc wyraźną barierę między mikroguzem a komórkami skóry.
Ale kiedy zespół naukowców umieścił cały system komórkowy w urządzeniu, które lekko go rozciągało - naśladując oddychanie i ruchy ciała - komórki nowotworowe stały się agresywne, atakując warstwę komórek skóry.
Co jest jeszcze fajniejsze: nie jest wymagany żaden aktywny ruch, aby siły mechaniczne zmieniły zachowanie komórki. Forma mikrośrodowiska jest wystarczająca do kierowania ich działaniami.
Na przykład, gdy Pelling umieścił dwa typy komórek w rowkowanej strukturze fizycznej, komórki te odłączyły się samoistnie w ciągu kilku godzin, a jeden typ urósł w rowkach, a drugi na wyższych grzbietach. Po prostu wyczuwając kształt tej pofałdowanej powierzchni, „nauczyli się” rozdzielać i dopasowywać przestrzennie.
A więc: używając tylko jednego kształtu, komórki można stymulować do tworzenia złożonych trójwymiarowych modeli.
I tutaj jabłko nam pomoże.
Jabłko … czy ucho?
Pod mikroskopem mikrośrodowisko jabłka znajduje się na tej samej skali co sztuczne powierzchnie do wytwarzania tkanek zastępczych. To odkrycie sprawiło, że naukowcy zaczęli się zastanawiać: czy rzeczywiście można wykorzystać tę strukturę powierzchni rośliny do wyhodowania ludzkich narządów?
Aby to sprawdzić, wzięli jabłko i umyli wszystkie jego komórki roślinne, DNA i inne biocząsteczki. Zostały tylko włókniste rusztowania - wciąż tkwią w zębach. Kiedy zespół umieścił wewnątrz komórki ludzkie i zwierzęce, komórki zaczęły rosnąć i rozprzestrzeniać się.
Zachęceni wynikiem naukowcy wyrzeźbili jabłko w kształcie ludzkiego ucha i powtórzyli powyższy proces. W ciągu kilku tygodni komórki namnażały się i zamieniły kawałek jabłka w mięsiste ludzkie ucho.
Oczywiście jeden kształt nie wystarczy. Tkanka zastępcza musi również zakorzenić się w ciele.
Następnie zespół wszczepił lasy jabłoniowe bezpośrednio pod skórę myszy. W ciągu zaledwie ośmiu tygodni zdrowe komórki myszy nie tylko skolonizowały macierz, ale także organizm gryzonia wytworzył nowe naczynia krwionośne, które pomogły lasom żyć i rozwijać się.
Tkanka poddana bioinżynierii ma trzy ważne właściwości: jest bezpieczna, biokompatybilna i jest wytwarzana z odnawialnego, etycznego źródła.
Przejście od teorii do praktyki
Pelling jest szczególnie pod wrażeniem jej wyników ze względu na swoją prostotę: nie wymaga do działania komórek macierzystych ani egzotycznych czynników wzrostu. Eleganckie podejście po prostu wykorzystuje fizyczną strukturę rośliny.
Zespół obecnie rozszerza swoje prace na trzy główne obszary inżynierii tkankowej: chrząstkę tkanki miękkiej, tkankę kostną, rdzeń kręgowy i nerwy. Ważne jest dopasowanie specyficznej mikrostruktury rośliny do tkanki.
I po co ograniczać się do ciała, które dała nam natura? Jeśli kształty rusztowań są jedynym wyznacznikiem inżynierii tkankowej lub organowej, dlaczego nie stworzyć własnych kształtów?
Pelling uzbroił się w ten pomysł i stworzył firmę projektową, która miałaby stworzyć rusztowanie dla trzech różnych typów uszu: zwykłych ludzkich uszu, spiczastych uszu, takich jak Spock, i falowanych uszu, które teoretycznie mogłyby tłumić lub wzmacniać różne częstotliwości.
Ilya Khel