211service.com
Tkanki, które same się budują
Komórki pokryte lepkimi kawałkami DNA mogą samoorganizować się w funkcjonalne trójwymiarowe mikrostruktury. To oddolne podejście do inżynierii tkankowej, opracowane przez naukowców z Lawrence Berkeley National Laboratory i University of California w Berkeley, zapewnia nowe rozwiązanie jednego z największych problemów w tej dziedzinie: tworzenia tkanek wielokomórkowych o określonych strukturach. W przeciwieństwie do metod odgórnych, w których naukowcy budują struktury komórkowe na rusztowaniach, nowa technika umożliwia inżynierom tkanek dyktowanie precyzyjnych interakcji geometrycznych poszczególnych komórek.
Podwójne kłopoty: Dwa skupiska połączyły się, tworząc większą, bardziej złożoną strukturalnie mikrotkankę. Dopracowując zmienne i dodając komórki w kolejnych iteracjach, naukowcy mają nadzieję generować coraz bardziej wyrafinowane zespoły.
Badacze zaczęli od dwóch typów komórek – jednego wydzielającego białko zwane czynnikiem wzrostu, którego drugi potrzebuje do wzrostu. Współautor Zev Gartner , obecnie chemik farmaceutyczny z Uniwersytetu Kalifornijskiego w San Francisco, ozdobił komórki fragmentami jednoniciowego DNA, połączonego za pomocą wyspecjalizowanych cukrów wbudowanych w błonę komórkową. Te dwa typy komórek niosły komplementarne nici DNA, które działały jak rodzaj rzepów. Kiedy różne komórki zostały połączone, ich komplementarne fragmenty DNA połączyły się w podwójne nici, łącząc ze sobą komórki. Połączone ze swoimi partnerami produkującymi białka, komórki zależne od białek kwitną. Bez powłoki DNA te dwa typy komórek nie mogą się komunikować, a komórki zależne umierają.
Zmieniając względne stężenia obu typów komórek, naukowcy mogli manewrować komórkami w określonych konfiguracjach. Na przykład, gdy komórki zostały połączone w stosunku jeden do jednego, po prostu utworzyły pary. Ale kiedy komórki zależne od czynnika wzrostu znacznie przewyższały liczebnie swoje odpowiedniki, utworzyły charakterystyczne trójwymiarowe skupiska z pojedynczą komórką wydzielającą czynnik wzrostu w środku. Wyniki pojawiły się w poniedziałek we wczesnej edycji internetowej Materiały Narodowej Akademii Nauk .
Takie podejście zapewnia nowy sposób odtwarzania złożoności tkanek, mówi Ali Khademhosseini , adiunkt w Harvard-MIT’s Division of Health Sciences and Technology oraz Harvard Medical School, który nie był zaangażowany w badanie. Większość metod inżynierii tkankowej tworzy trójwymiarowe struktury za pomocą materiałów rusztowania.
Po uformowaniu się mikrostruktur Gartner i jego kolega Carolyn Bertozzi , dyrektor ośrodka badawczego nanonauki Molecular Foundry w Berkeley Lab, uwięził je w żelu i sfotografował w trzech wymiarach za pomocą mikroskopu fluorescencyjnego. Ponieważ DNA powierzchni komórki nie jest stabilne w dłuższej perspektywie, nie jest jeszcze jasne, jak długo struktury wytrzymają samodzielnie. Naukowcy badają obecnie, czy połączone komórki zaczną generować własne naturalne cząsteczki adhezyjne, aby utrzymać je w miejscu, gdy połączenia DNA znikną.
Jak dotąd te mikrostruktury są szczątkowe – dalekie od wyrafinowania strukturalnego całego narządu. Ale zmieniając stosunek typów komórek, gęstość DNA na powierzchni komórek i złożoność sekwencji DNA, Gartner i Bertozzi mają nadzieję zbudować większe i bardziej skomplikowane zespoły. Bawiąc się tymi zmiennymi, możemy wpływać na rodzaj tworzonej struktury, mówi Gartner.
Wideo
Rzep komórkowy: W nowym podejściu do oddolnej inżynierii tkankowej dwa różne typy komórek spontanicznie łączą się w trójwymiarowe mikrostruktury, takie jak ta, gdy ich powierzchnie są nabijane lepkimi pojedynczymi nićmi DNA. Ponieważ DNA na czerwonych krwinkach jest komplementarne do tego na zielonych krwinkach, naturalnie sklejają się ze sobą, trzymając komórki blisko siebie.
Źródło: Bertozzi Lab
Chociaż ta nowa metoda nie jest pierwszą, która zajmuje się inżynierią tkankową od podstaw, Gartner twierdzi, że jest jedyną zdolną do wystarczająco dokładnej rozdzielczości, aby określić, w jaki sposób poszczególne komórki oddziałują z sąsiadami. I nawet jeśli okaże się, że ta technika nie daje się dobrze skalować, może w zasadzie zapewnić strukturalne elementy budulcowe do wykorzystania w innych pojawiających się metodach oddolnych, takich jak drukowanie bibuły warstwa po warstwie lub manipulacja laserowa.
Khademhosseini mówi, że jest za wcześnie, aby stwierdzić, czy nowa technika ostatecznie wytworzy tkanki nadające się do zastosowania w medycynie regeneracyjnej. Ma duży potencjał i może zapewnić terapie w przyszłości, ale trzeba pokonać inne wyzwania, aby stworzyć klinicznie opłacalny produkt, mówi. Na przykład, dopiero się okaże, skąd będą pochodzić komórki, z których ma wyrosnąć tkanka, i jak organizm wytworzy nowe naczynia krwionośne, które będą odżywiać przeszczepioną tkankę.
Dan Dimitrijevich , dyrektor Human Tissue and Cell Engineering Laboratories na University of North Texas Health Science Center, jest bardziej sceptyczny. Wątpi, czy nowe podejście umożliwi generowanie stabilnych, bezpiecznych i funkcjonalnych tkanek, które wytrzymają przeszczepienie do rzeczywistego żywego organizmu. Mówi, że to interesująca nauka, ale jeśli chodzi o inżynierię tkankową, to naprawdę się rozciąga.
Gartner uważa, że nawet jeśli nie sprawdza się to z punktu widzenia medycyny regeneracyjnej, technika ta może nadal okazać się przydatna jako narzędzie do badania, w jaki sposób komunikują się różne typy komórek – na przykład w procesie tworzenia guza. Daje nam to teraz nowe narzędzie do wydobycia tych struktur z ludzkiego gospodarza – gdzie oczywiście są bardzo trudne do zbadania z wielu powodów technicznych i etycznych – i umieszczenia ich w kolbie, w której możemy je szczegółowo badać przez długi czas. okresy czasu, mówi.