Οι Μηχανικοί Ιστών παραβιάζουν τον Κώδικα Life για τρισδιάστατα διπλωμένα σχήματα

Όταν πρόκειται για τη μηχανική ιστών, οι επιστήμονες τείνουν να είναι μικροδιαχειριστές. Οι παραδοσιακές προσεγγίσεις περιλαμβάνουν την εισαγωγή των κυττάρων σε ένα συνθετικό ικρίωμα που καθοδηγεί την ανάπτυξη των κυττάρων ως νέος ιστός. Αυτή η μέθοδος μπορεί να λειτουργήσει για σχετικά απλούς ιστούς, όπως το δέρμα. Αλλά για πιο σύνθετες δομές, όπως αυτές στα εσωτερικά μας όργανα, δεν λαμβάνει υπόψη το «αναπτυξιακό ιστορικό που σχετίζεται με τη σύνθεση των ιστών και την τοποθέτηση των κυττάρων μέσα σε έναν ιστό», δήλωσε ο Alex Hughes, βιομηχανικός στο Πανεπιστήμιο της Πενσυλβάνια. .

Αυτός και μια ομάδα ερευνητών με επικεφαλής τον Zev Gartner, έναν φαρμακευτικό χημικό στο Πανεπιστήμιο της Καλιφόρνια στο Σαν Φρανσίσκο, στράφηκαν επομένως στην αναπτυξιακή βιολογία για απαντήσεις. Σε μια εργασία που δημοσιεύτηκε τον περασμένο μήνα στο Developmental Cell , απέδειξαν τον κρίσιμο ρόλο που διαδραματίζουν οι μηχανικές δυνάμεις στη ρύθμιση της μορφής και της λειτουργίας των ιστών και έδειξαν πώς αυτές οι δυνάμεις θα μπορούσαν να αξιοποιηθούν για την κατασκευή πιο εξελιγμένων τεχνητών δομών.

Οι πραγματικοί ιστοί είναι γεμάτοι λειτουργικές καμπύλες και πτυχές, από τις λάχνες που μοιάζουν με τα δάχτυλα του εντέρου μέχρι τους οφθαλμούς που σχηματίζουν θύλακες και φτερά τρίχας. Διαφορετικοί μηχανισμοί μπορούν να διέπουν τις διαδικασίες αναδίπλωσης των ιστών που προκαλούν τη γεωμετρία τους. "Σε κάθε περίπτωση, ωστόσο, έχουν αυτό το κοινό φαινόμενο", είπε η Gartner, "που είναι ότι οι διεπαφές [μεταξύ διαφορετικών στρωμάτων ιστού] πρέπει να συρρικνωθούν και να αναπτυχθούν."

Σύμφωνα με τον Donald Ingber, τον διάσημο κυτταρικό βιολόγο και πρωτοπόρο της βιομηχανικής στο Πανεπιστήμιο του Χάρβαρντ, η σημασία αυτής της φυσικής διάταξης δεν πρέπει να αγνοηθεί. «Οι μηχανικές δυνάμεις μπορούν να ρυθμίσουν τη βιοχημεία όπως τα χημικά ρυθμίζουν τη βιοχημεία», είπε. «Η αναπτυξιακή βιολογία συνήθιζε να εξηγείται μηχανικά, αλλά μόλις εμφανίστηκε η χημεία, η μοριακή βιολογία και η γενετική, το μωρό πετάχτηκε έξω με το νερό του μπάνιου». Πρόσθεσε ότι μόνο τα τελευταία 15 χρόνια η μελέτη των μηχανικών δυνάμεων επανήλθε στο πεδίο, τα αποτελέσματά τους «ιδιαίτερα σημαντικά για τη ρύθμιση του τι συμβαίνει στο τοπικό περιβάλλον των ιστών».

Αυτός είναι ο λόγος για τον οποίο οι Gartner, Hughes και οι συνάδελφοί τους αποφάσισαν να επικεντρωθούν σε μια συγκεκριμένη, συχνά μηχανική διαδικασία που περιλαμβάνει τα γνωστά ως μεσεγχυματικά κύτταρα. Κάτω από το επιθήλιο - το λεπτό, εξωτερικό στρώμα ενός ιστού - βρίσκεται ένα συνδετικό στρώμα που ονομάζεται μεσεγχύμα. Κατά την ανάπτυξη, τα κύτταρα στο μεσεγχύμα συσσωματώνονται σε ομάδες που οδηγούν την καμπυλότητα του επιθηλίου πάνω από το κεφάλι. Οι ερευνητές ήθελαν να αποσυσκευάσουν πώς λειτούργησε αυτό. "Στόχος μας ήταν να μπούμε κάτω από το καπό, να δούμε ποιες ήταν οι αρχές της μηχανικής, ώστε να μπορέσουμε να τις πάρουμε υπό τον έλεγχό μας", είπε ο Hughes.

Πήραν μεσεγχυματικά κύτταρα που προέρχονταν από έμβρυα ποντικού και τοποθέτησαν μικρές ομάδες από αυτά σε πλάκες εξωκυτταρικής μήτρας (ένα μείγμα πρωτεϊνών και άλλων συστατικών που βρέθηκαν μεταξύ των κυττάρων στους ιστούς). Βρήκαν ότι τα σμήνη τραβούσαν την γύρω μήτρα:Ζώνες από πρωτεϊνικές ίνες σχηματίστηκαν ανάμεσα σε στενά τοποθετημένες συστάδες, ανοίγοντας γραμμές «μηχανικής επικοινωνίας» που έμοιαζαν πολύ με παιχνίδια διελκυστίνδας. Ο προσανατολισμός αυτών των δυνάμεων έλξης καθόριζε τον τρόπο δίπλωσης της πλάκας. Εν τω μεταξύ, η παρεμπόδιση της δραστηριότητας των πρωτεϊνών κινητήρα στα κύτταρα απέτρεψε τη διαδικασία αναδίπλωσης. «Επομένως, επιβεβαιώσαμε ότι η αιτία είναι μηχανική, με βεβαιότητα στο in vitro σύστημά μας και πιθανότατα στο σύστημα in vivo», είπε η Gartner.

Στη συνέχεια, οι ερευνητές έπρεπε να καταλάβουν πώς συγκεκριμένα μοτίβα συστάδων κυττάρων επηρέασαν την καμπυλότητα του υλικού τους. Οι Hughes, Gartner και η ομάδα τους δημιούργησαν ένα μοντέλο πρόβλεψης για να καθορίσουν τα σχήματα που θα μπορούσαν να σχηματίσουν και ποια κυτταρικά μοτίβα θα τα σχηματίσουν. Με το χειρισμό του αριθμού των κυττάρων σε συστάδες, τον τρόπο με τον οποίο αυτά τα σμήνη ήταν διατεταγμένα - πυκνά ή απλωμένα, συμμετρικά ή ασύμμετρα - και το αρχικό σχήμα του τζελ, μπόρεσαν να αναδιπλώσουν τους συνθετικούς ιστούς σε μια σειρά σχημάτων, από μπολ και σωλήνες σε πηνία και κύβους. Εάν άρχιζαν με ένα τετράγωνο τζελ και έκαναν τα κενά μεταξύ των συστάδων μεγαλύτερα κατά μήκος ενός άξονα, για παράδειγμα, ο ιστός κυλιόταν σε ένα σωλήνα.

«Από σχεδιαστική άποψη, είναι πολύ συναρπαστικό», δήλωσε ο Nandan Nerurkar, βιοϊατρικός μηχανικός στο Πανεπιστήμιο Columbia. «Έδειξαν ότι μπορείς να λάβεις αναπτυξιακές αρχές και να τις χρησιμοποιήσεις για να σχεδιάσεις έναν ιστό με μια συγκεκριμένη γεωμετρία. Και έχουν δημιουργήσει έναν αγωγό που προβλέπει τι πρέπει να κάνουν για να επιτύχουν τα σχήματα που θέλουν να δημιουργήσουν."

Αυτό είναι πολύ διαφορετικό από τις κλασσικές τεχνικές μηχανικής ιστών που βασίζονται στην ανάπτυξη κυττάρων σε ένα διαμορφωμένο ικρίωμα. «Επιτρέποντας στα ίδια τα κύτταρα να κάνουν την αναδίπλωση δημιουργεί ένα είδος λεπτομέρειας μοριακής, νανοκλίμακας και μικροκλίμακας στον ιστό, με τρόπο που παραμένει πολύ, πολύ δύσκολο για εμάς να το κάνουμε χρησιμοποιώντας τις κλασικές προσεγγίσεις», είπε η Gartner.

Αυτός ο νέος τρόπος αναδίπλωσης ιστών δεν είναι ο πιο απλός:Αυτός ο τίτλος ανήκει στο πεδίο των οργανοειδών. Αυτοί οι επιστήμονες παίρνουν βλαστοκύτταρα και, με τους κατάλληλους παράγοντες και μικροπεριβάλλον, τα κάνουν να αναπτυχθούν σε μικροσκοπικές υπομονάδες ιστών με ελάχιστη οδηγία. Αλλά τέτοια μικροσκοπικά αντίγραφα ιστού είναι εξαιρετικά δύσκολο να αναπαραχθούν και «δεν τείνουν να οργανώνονται μόνα τους σε κλίμακες μεγαλύτερες από μερικές εκατοντάδες μικρά», είπε ο Hughes. Συνδυάζοντας αυτή την προσέγγιση με την εργασία της ομάδας του, η οποία λειτουργεί σε μεγαλύτερη κλίμακα, ίσως είναι δυνατό να δημιουργηθούν μεγαλύτερα, καλύτερα οργανωμένα, πιο ρεαλιστικά οργανοειδή. Τελικά, αυτά τα βήματα θα μπορούσαν να οδηγήσουν σε ιστούς επαρκώς εξευγενισμένους ώστε να μοντελοποιούν την ασθένεια και να ενημερώνουν εξατομικευμένες ιατρικές θεραπείες.

Υπάρχουν και άλλες εφαρμογές, για παράδειγμα, στον σχεδιασμό μαλακής ρομποτικής. Ελεγχόμενες διεργασίες που ωθούν τα κύτταρα να ενσωματωθούν σε συγκεκριμένες δομές θα μπορούσαν να βοηθήσουν πολύ στην κατασκευή μηχανικά ενεργών αντικειμένων, από περιβαλλοντικούς αισθητήρες έως αυτοματοποιημένα μέρη ικανά να αλλάζουν σχήμα. «Αρχίζουμε πραγματικά να πιέζουμε αυτό το όριο του τι μπορούμε να κάνουμε τη βιολογία να κάνει», είπε ο Hughes. "Επειδή συνήθως δεν θεωρούμε τα βιολογικά κύτταρα ως συστήματα που μπορούν να σχεδιαστούν στο επίπεδο των ιστών ή στο επίπεδο ενός ρομπότ ή ενός αυτόνομου συστήματος."

Εκτός από τέτοιες εφαρμογές, αυτή η εργασία μπορεί επίσης να παρέχει πληροφορίες για την ανθρώπινη ανάπτυξη. Όταν κοιτάμε έμβρυα, «μπορούμε να παρατηρήσουμε τις συνέπειες των δυνάμεων που δρουν σε έναν ιστό, αλλά στην πραγματικότητα δεν τις βλέπουμε», είπε ο Gartner. Το σύστημά του μπορεί να χρησιμοποιηθεί για τον εντοπισμό ορατών υπογραφών αυτών των δυνάμεων σε δράση, τις οποίες οι ερευνητές θα μπορούσαν στη συνέχεια να αναζητήσουν σε αναπτυσσόμενους οργανισμούς.

Μπορούν επίσης να αρχίσουν να διερευνούν πειραματικά ερωτήματα που σχετίζονται με την εξέλιξη:Γιατί ορισμένες δομές σχηματίζονται όπως σχηματίζονται και ποια είναι τα πλεονεκτήματα αυτού; Γιατί η φυσική επιλογή ευνόησε έναν αναπτυξιακό μηχανισμό για τη δημιουργία ενός μέλους παρά ενός άλλου; "Μπορείτε να χρησιμοποιήσετε αυτό το σύστημα για να δοκιμάσετε διαφορετικούς μορφογενετικούς μηχανισμούς και μπορείτε να δοκιμάσετε την ευρωστία αυτών των μηχανισμών", είπε ο Nerurkar.

Πρώτα, φυσικά, ο Gartner και η ομάδα του θα πρέπει να προχωρήσουν πέρα ​​από μια απόδειξη της ιδέας. Ωστόσο, η εργασία τους αντιπροσωπεύει ένα σημαντικό βήμα προς τα εμπρός:«Αυτός ο τύπος σκέψης στη μηχανική ιστών είναι πραγματικά, πολύ σημαντικός», δήλωσε ο Matthias Lütolf, βιομηχανικός στην École Polytechnique Fédérale de Lausanne στην Ελβετία. «Είναι δυνατό να αντιμετωπίσουμε τις μακροχρόνιες προκλήσεις σε αυτόν τον τομέα μόνο έχοντας μια βαθιά κατανόηση της αναπτυξιακής βιολογίας. Αυτή η εργασία και η έρευνα όπως αυτή χρειάζονται απεγνωσμένα.”