Věda čerpá inspiraci ze všech stran pro průlom. Lepkavá destička s bakteriemi nám poskytla první antibiotikum - penicilin. Kombinace kvasinek s platinovou elektrodou pod napětím nám poskytla silný chemoterapeutický lék - cisplatinu. Dr. Andrew Pelling z Ottawské univerzity čerpá své radikální myšlenky z klasického sci-fi The Little Horror Store. Zejména se mu líbí hlavní antagonista filmu: kanibalistická rostlina Aubrey 2.
Je to něco, co vypadá jako rostlina s rysy savců, řekl Pelling na konferenci Exponential Medicine v San Diegu tento týden. "Tak jsme začali přemýšlet: lze to pěstovat v laboratoři?"
Pellingovým konečným cílem samozřejmě není oživit sci-fi monstrum. Místo toho chce pochopit, zda konvenční rostliny mohou poskytnout nezbytnou strukturu pro nahrazení lidské tkáně.
Vzestup mechanobiologie
Pěstování lidského ucha z jablek se může jevit jako podivný proces, ale Pellingovým výchozím bodem je to, že vláknité vnitřky jsou nápadně podobné mikroprostředím, ve kterém je biologická inženýrská lidská tkáň obvykle pěstována v laboratořích.
Například k nahrazení uší vědci rutinně vyřezávají nebo duté podpůrné struktury 3D tiskají z drahých biokompatibilních materiálů. Poté inokulují lidské kmenové buňky do této struktury a pečlivě jim dodávají koktejl růstových faktorů a živin, což podporuje růst buněk. Nakonec se po týdnech a měsících inkubace buňky proliferují a diferencují na kožní buňky v lesích. Výsledkem je bioinženýrské ucho.
Problém je v tom, že překážka vstupu je velmi vysoká: kmenové buňky, růstové faktory a materiály pro lesy jsou drahé a je obtížné je produkovat.
Propagační video:
Jsou však tyto komponenty skutečně potřeba?
Prostřednictvím řady experimentů Pelling a další objevili, že tyto mechanické síly nejsou jen vedlejším produktem biologie; spíše zásadně regulují základní molekulární mechanismy buňky.
Předchozí studie ukázaly, že každé stadium růstu embryí - „základní proces v biologii“- lze regulovat a řídit mechanickými informacemi. Jinými slovy, fyzické síly mohou přimět buňky k dělení a migraci tkání, protože náš genetický kód řídí vývoj celého organismu.
V laboratoři se zdá, že natahování a mechanicky stimulující buňky radikálně mění jejich chování. V jednom testu Pellingův tým posypal rakovinné buňky na vrstvu kožních buněk pěstovaných na dně Petriho misky. Rakovinové buňky se spojí v malých kuličkách a vytvoří jasnou bariéru mezi mikrotumorem a kožními buňkami.
Když však tým vědců umístil celý buněčný systém do zařízení, které jej mírně natahovalo - napodobovalo dýchání a pohyb těla - nádorové buňky se staly agresivními a napadaly vrstvu kožních buněk.
Co je ještě chladnější: pro mechanickou sílu k transformaci chování buněk není nutný žádný aktivní pohyb. Forma mikroprostředí je dostatečná pro vedení jejich činnosti.
Například, když Pelling umístil dva typy buněk do fyzické struktury s drážkami, buňky se samy oddělily během několika hodin a jeden typ rostl v drážkách a druhý na vyšších projekcích. Pouhým snímáním tvaru tohoto vlnitého povrchu se "naučili" oddělit a prostorově zapadnout.
Takže: použitím pouze jednoho tvaru mohou být buňky stimulovány k vytvoření komplexních trojrozměrných modelů.
A tady nám jablko pomůže.
Jablko … nebo ucho?
Pod mikroskopem je mikroprostředí jablka ve stejné délce jako umělé povrchy pro výrobu náhradních tkání. Tento objev vedl vědce k zamyšlení: je skutečně možné použít tuto strukturu povrchu rostlin k růstu lidských orgánů?
Aby to otestovali, vzali jablko a omyli všechny své rostlinné buňky, DNA a další biomolekuly. Zbývá už jen vláknitá lešení - stále se zasekávají v zubech. Když tým umístil lidské a zvířecí buňky dovnitř, buňky začaly růst a šířit se.
Vědci povzbuzeni tímto výsledkem vyřezali jablko ve tvaru lidského ucha a opakovali výše uvedený postup. Během několika týdnů se buňky množily a přeměňovaly kousek jablka na masitý lidský ucho.
Jeden tvar samozřejmě nebude stačit. Náhradní tkáň musí také zakořenit uvnitř těla.
Tým poté implantoval jablečné lesy přímo pod kůži myši. Za pouhých osm týdnů zdravé buňky myší kolonizovaly matrici, ale tělo hlodavce také produkovalo nové krevní cévy, které pomáhaly lesům žít a prospívat.
Tkáň bioinženýrství má tři důležité vlastnosti: je bezpečná, je biokompatibilní a je vyráběna z obnovitelných, etických zdrojů.
Přechod od teorie k praxi
Pelling je obzvláště ohromen svými výsledky kvůli jeho jednoduchosti: nevyžaduje práci kmenových buněk nebo exotických růstových faktorů. Elegantní přístup jednoduše využívá fyzickou strukturu rostliny.
Tým v současné době rozšiřuje svou práci do tří hlavních oblastí tkáňového inženýrství: chrupavky měkkých tkání, kostní tkáně, míchy a nervy. Důležité je sladit specifickou mikrostrukturu rostliny s tkání.
A proč se omezit na tělo, které nám příroda dala? Pokud jsou lešení tvary jediným determinantem tkáňového nebo orgánového inženýrství, proč si nevytvářet své vlastní tvary?
Pelling se tímto nápadem vyzbrojil a vytvořil designovou společnost, která by ležela tři různé typy uší: běžné lidské uši, špičaté uši jako Spockovy a vlnité uši, které by teoreticky mohly potlačit nebo posílit různé frekvence.
Ilya Khel