Представьте, что вы идете к хирургу, чтобы заменить больной или травмированный орган на полностью функциональную замену, выращенную в лаборатории. Это остается научной фантастикой, а не реальностью, потому что сегодня исследователи пытаются организовать клетки в сложные трехмерные структуры, которые наше тело может освоить самостоятельно.

На пути к выращиванию органов и тканей, выращенных в лаборатории, необходимо преодолеть два основных препятствия. Первый – использовать биологически совместимый трехмерный каркас, в котором могут расти клетки. Второй – украсить этот каркас биохимическими сообщениями в правильной конфигурации, чтобы вызвать формирование желаемого органа или ткани.

Сделав важный шаг на пути к воплощению этой надежды в реальность, исследователи из Вашингтонского университета разработали методику модификации природных биологических полимеров с помощью биохимических сообщений на основе белков, которые влияют на поведение клеток. Их подход, опубликованный на неделе 18 января в Proceedings of the National Academy of Sciences, использует ближний инфракрасный лазер для запуска химической адгезии белковых сообщений к каркасу, сделанному из биологических полимеров, таких как коллаген, соединительная ткань, обнаруженная по всей нашей тела.

По словам старшего автора Коула ДеФореста, доцента химической инженерии и биоинженерии, клетки млекопитающих, как и ожидалось, ответили на сигналы прикрепленных белков в трехмерном каркасе. Белки на этих биологических каркасах вызвали изменения в путях обмена сообщениями внутри клеток, которые влияют на рост клеток, передачу сигналов и другое поведение.

Эти методы могут лечь в основу биологически обоснованных каркасов, которые однажды могут сделать функциональные ткани, выращенные в лаборатории, реальностью, – сказал ДеФорест, который также является преподавателем Института молекулярной инженерии и науки и Института стволовых клеток. и регенеративная медицина.

Этот подход предоставляет нам возможности, которых мы так долго ждали, для усиления контроля над функцией и судьбой клеток в биоматериалах, полученных естественным путем – не только в трехмерном пространстве, но и во времени. Более того, он использует исключительно точные фотохимические процессы, которыми можно управлять в 4-мерном измерении, при этом уникально сохраняя функцию и биоактивность белков »

.

Коул ДеФорест, доцент кафедры химической инженерии и биоинженерии из Университета штата Вашингтон

Коллегами ДеФореста по этому проекту являются ведущий автор Иван Баталов, бывший научный сотрудник Вашингтонского университета в области химической инженерии и биоинженерии, и соавтор Келли Стивенс, доцент кафедры биоинженерии, лабораторной медицины и патологии Университета штата Вашингтон.

Их метод является первым в этой области, пространственно контролирующим функцию клеток внутри природных биологических материалов, в отличие от тех, которые получены синтетическим путем. Несколько исследовательских групп, включая DeForest's, разработали световые методы модификации синтетических каркасов с помощью белковых сигналов. Но природные биологические полимеры могут быть более привлекательной основой для тканевой инженерии, потому что они от природы обладают биохимическими характеристиками, на которые клетки полагаются для структуры, коммуникации и других целей.

«Натуральный биоматериал, такой как коллаген, по своей природе включает в себя многие из тех же сигналов, что и в нативных тканях», – сказал ДеФорест. «Во многих случаях эти типы материалов делают клетки« счастливее », давая им сигналы, аналогичные тем, с которыми они могли бы столкнуться в организме»

Они работали с двумя типами биологических полимеров: коллагеном и фибрином, белком, участвующим в свертывании крови. Каждый из них был собран в заполненные жидкостью каркасы, известные как гидрогели.

Сигналы, которые команда добавила к гидрогелям, – это белки, один из основных мессенджеров для клеток. Белки бывают разных форм, каждый со своими уникальными химическими свойствами. В результате исследователи разработали свою систему для использования универсального механизма присоединения белков к гидрогелю – связывания между двумя химическими группами, алкоксиамином и альдегидом. Перед сборкой гидрогеля они украсили предшественники коллагена или фибрина алкоксиаминовыми группами, физически заблокированными «клеткой», чтобы предотвратить преждевременную реакцию алкоксиаминов. Клетку можно удалить ультрафиолетом или лазером ближнего инфракрасного диапазона.

Используя методы, ранее разработанные в лаборатории ДеФореста, исследователи также установили альдегидные группы на один конец белков, которые они хотели присоединить к гидрогелям. Затем они объединили альдегидсодержащие белки с гидрогелями, покрытыми алкоксиамином, и использовали короткий импульс света, чтобы удалить клетку, покрывающую алкоксиамин. Обнаруженный алкоксиамин легко вступает в реакцию с альдегидной группой белков, связывая их внутри гидрогеля. Команда использовала маски с вырезанными на них узорами, а также изменения геометрии лазерного сканирования, чтобы создать замысловатые узоры расположения белков в гидрогеле, включая старый логотип UW, космическую иглу Сиэтла, монстра и трехмерный макет объекта. человеческое сердце.

Связанные белки были полностью функциональными, доставляя желательные сигналы в клетки. Клетки печени крысы – при загрузке на гидрогели коллагена, несущие белок EGF, который способствует росту клеток, – проявляли признаки репликации ДНК и деления клеток. В отдельном эксперименте исследователи украсили гидрогель фибрина узорами из белка под названием Delta-1, который активирует в клетках определенный путь, называемый передачей сигналов Notch. Когда они ввели в гидрогель клетки рака кости человека, клетки в областях с образцом Delta-1 активировали передачу сигналов Notch, в то время как клетки в областях без Delta-1 – нет.

Эти эксперименты с множеством биологических каркасов и белковых сигналов показывают, что их подход может работать практически для любого типа белкового сигнала и системы биоматериалов, сказал ДеФорест.

«Теперь мы можем начать создавать гидрогелевые каркасы с множеством различных сигналов, используя наше понимание клеточной передачи сигналов в ответ на определенные комбинации белков, чтобы модулировать критические биологические функции во времени и пространстве», – добавил он.

С более сложными сигналами, загруженными на гидрогели, ученые могли затем попытаться контролировать дифференцировку стволовых клеток, что стало ключевым шагом на пути превращения научной фантастики в научный факт.