Ткани-киборги
Группа исследователей из нескольких научных учреждений, работающая под руководством доктора Даниеля Кохейна (Daniel Kohane) из Бостонской детской клиники, разработала метод создания трехмерных биоинженерных тканей, пронизанных сетью биосовместимых нанопроводов. Эта разработка является настоящим прорывом в тканевой инженерии, так как она открывает новые перспективы в создании искусственных тканей, обеспечивающих возможность стимуляции и мониторинга состояния, а также систем для скрининга новых лекарственных препаратов.
Одной из серьезных сложностей при разработке биоинженерных тканей является создание систем, которые могли бы регистрировать происходящее (химические, электрические и другие процессы) в ткани после ее формирования и/или имплантации. До сих пор специалистам также не удавалось разработать методы непосредственной стимуляции биоинженерных тканей и измерения активности клеточных реакций.
В условиях организма вегетативная нервная система отслеживает изменения уровней кислотности, кислорода, а также различных химических веществ и биологически активных факторов и запускает необходимые реакции во внутренних органах. Чтобы воздействовать на процессы, происходящие в имплантате, на клеточном и тканевом уровнях, необходимо создать систему петель обратной связи, аналогичную сформировавшейся в организме в ходе эволюции.
Для этого авторы разработали трехмерные структуры из переплетающихся волокон из оксида кремния диаметром 80 нм. Пористость получившихся структур позволяет засеивать их клетками, которые впоследствии формируют трехмерные культуры.
Используя в качестве материала сердечные кардиомиоциты и нервные клетки, а также несколько биосовместимых материалов, они успешно вырастили образцы тканей, пронизанные нанопроводами, присутствие которых не оказывало никакого влияния на жизнеспособности и активность клеток. Сеть нанопроводов позволяет ученым регистрировать электрические сигналы, генерируемые клетками, расположенными глубоко в толще ткани, а также оценивать изменения интенсивности этих сигналов под действием кардио- или нейростимулирующих препаратов.
На рисунке из статьи Tian et al. Macroporous nanowire nanoelectronic scaffolds for synthetic tissues, опубликованной online 26 августа в журнале Nature Materials, – 2 ракурса трехмерной реконструкции участка «ткани-киборга» размером 127х127х68 мкм, полученной с помощью конфокального микроскопа. Нейроны гиппокампа крысы подсвечены красным флуоресцентным красителем, каркас из нанопроводов окрашен желтым, белыми стрелками отмечены срезы синих металлические проводников внутри пластикового каркаса.
Последним достижением стало создание биоинженерных кровеносных сосудов, стенки которых также пронизаны нанопроводами, позволяющими оценивать изменения уровней рН внутри и вне сосудов. Такие изменения являются естественной реакцией на воспаление, ишемию и другие изменения, вызванные биохимическими или клеточными факторами.
По словам авторов, разработанный ими подход может совершить переворот в биоинженерии. Например, практически всегда целью аналогичных разработок является создание каркаса для выращивания ткани, впоследствии деградирующего и разлагающегося в организме. Новый подход подразумевает сохранение каркаса и, более того, его активную роль в функционировании имплантата.
Разработчики видят множество возможных областей применения новой технологии, начиная от создания биоинженерных «тканей-киборгов», способных регистрировать происходящие в организме изменения и запускать соответствующие ответные реакции (высвобождение препарата, электростимуляция и т.д.), и других имплантируемых терапевтических или диагностических устройств и заканчивая разработкой так называемых «лабораторий на чипе» для скрининга библиотек малых молекул в поисках новых лекарственных препаратов.
Евгения Рябцева
Портал «Вечная молодость» http://vechnayamolodost.ru по материалам Boston Children's Hospital:
Researchers develop method to grow artificial tissues with embedded nanoscale sensors
29.08.2012