Vitenskap henter inspirasjon fra overalt for et gjennombrudd. En klissete plate med bakterier ga oss det første antibiotikumet - penicillin. Å kombinere gjær med en platinaelektrode under spenning ga oss et kraftig cellegiftmedisin - cisplatin. Dr. Andrew Pelling fra University of Ottawa henter sine radikale ideer fra science fiction-klassikeren The Little Horror Store. Spesielt liker han filmens viktigste antagonist: den kannibalistiske planten Aubrey 2.
Det er noe som ser ut som en plante med pattedyrtrekk, sa Pelling på konferansen Exponential Medicine i San Diego denne uken. "Så vi begynte å lure på: kan dette dyrkes på et laboratorium?"
Pelings endelige mål er selvfølgelig ikke å bringe et sci-fi-monster til live. I stedet ønsker han å forstå om konvensjonelle planter kan gi den nødvendige strukturen for å erstatte menneskelig vev.
Oppgang av mekanobiologi
Å dyrke et menneskelig øre fra epler kan virke som en merkelig prosess, men Pellings utgangspunkt er at fibrøs innside er påfallende lik de mikro miljøene der bioingenivert menneskelig vev ofte dyrkes i laboratorier.
For å gjøre et øreutskifting, for eksempel, forskere rutinemessig kuttet eller 3D-print hule støttestrukturer fra dyre biokompatible materialer. De inokulerer deretter menneskelige stamceller i denne strukturen og forsyner den nøye med en cocktail av vekstfaktorer og næringsstoffer, og oppmuntrer cellene til å vokse. Etter hvert, etter uker og måneder med inkubasjon, spredes cellene og differensierer dem til hudceller i skogene. Resultatet er et bioingeniørt øre.
Problemet er at inntrengningsbarrieren er veldig høy: stamceller, vekstfaktorer og materialer for skog er alle dyre å kjøpe og vanskelig å produsere.
Salgsfremmende video:
Men er disse komponentene virkelig nødvendig?
Gjennom en serie eksperimenter har Pelling og andre oppdaget at disse mekaniske kreftene ikke bare er et biprodukt av biologi; snarere regulerer de grunnleggende de underliggende molekylære mekanismene til cellen.
Tidligere studier har vist at hvert trinn i fosterveksten - "en grunnleggende prosess i biologi" - kan reguleres og kontrolleres av mekanisk informasjon. Med andre ord kan fysiske krefter indusere celler til å dele seg og migrere gjennom vev, da vår genetiske kode guider utviklingen av hele organismen.
På laboratoriet ser det ut til at strekking og mekanisk stimulering av celler endrer deres oppførsel radikalt. I en test drysset Pells team kreftceller på et ark med hudceller dyrket i bunnen av en petriskål. Kreftceller kommer sammen i små kuler, og danner en klar barriere mellom mikrotumor og hudceller.
Men da forskerteamet plasserte hele det cellulære systemet i en enhet som strakte det litt - etterlignende respirasjon og kroppsbevegelse - ble tumorcellene aggressive og invaderte laget av hudceller.
Hva er enda kjøligere: ingen aktiv bevegelse er nødvendig for mekaniske krefter for å transformere celleoppførsel. Formen for mikromiljøet er tilstrekkelig til å lede handlingene deres.
For eksempel når Pelling plasserte to typer celler i en fysisk struktur med spor, løsnet cellene seg i løpet av få timer, og den ene typen vokste i sporene og den andre på høyere anslag. Bare ved å føle formen på denne korrugerte overflaten, "lærte" de seg å skille seg og romlig passe.
Altså: ved bruk av bare en form kan celler stimuleres til å danne komplekse tredimensjonale modeller.
Og her vil eplet hjelpe oss.
Et eple … eller et øre?
Under mikroskopet er mikro-miljøet til et eple i samme lengdeskala som kunstige overflater for å lage erstatningsvev. Denne oppdagelsen fikk forskere til å undre seg: er det virkelig mulig å bruke denne plantens overflatestruktur for å dyrke menneskelige organer?
For å teste dette, tok de et eple og vasket alle planteceller, DNA og andre biomolekyler. Det er bare fibrøse stillaser igjen - de sitter fortsatt fast i tennene dine. Da teamet plasserte menneskelige og dyre celler inne, begynte cellene å vokse og spre seg.
Oppmuntret av resultatet, hugget forskerne et eple i form av et menneskelig øre og gjentok prosessen ovenfor. I løpet av få uker spredte cellene seg og gjorde et stykke eple om til et kjøttfullt menneskeør.
En form vil selvfølgelig ikke være nok. Erstatningsvevet må også slå rot i kroppen.
Teamet implanterte deretter epleskog rett under musens hud. På bare åtte uker koloniserte sunne museceller ikke bare matrisen, men gnagerens kropp produserte også nye blodkar som hjalp skogene å leve og trives.
Bioingenivert vev har tre viktige egenskaper: det er trygt, det er biokompatibelt, og det er produsert fra en fornybar, etisk kilde.
Å gå fra teori til praksis
Pelling er spesielt imponert over resultatene på grunn av dets enklehet: Det krever ikke at stamceller eller eksotiske vekstfaktorer fungerer. Den elegante tilnærmingen bruker ganske enkelt den fysiske strukturen til anlegget.
Teamet utvider for tiden arbeidet til tre hovedområder innen veveteknikk: bløtvevbrusk, beinvev, ryggmarg og nerver. Viktigheten er å matche den spesifikke mikrostrukturen til planten og vevet.
Og hvorfor begrense oss til kroppen som naturen ga oss? Hvis stillasformer er den eneste determinanten for vevs- eller orgelteknikk, hvorfor ikke lage dine egne former?
Pelling bevæpnet seg med denne ideen og opprettet et designfirma som ville stillas tre forskjellige typer ører: vanlige menneskelige ører, spisse ører som Spocks, og bølgete ører, som i teorien kunne undertrykke eller forbedre forskjellige frekvenser.
Ilya Khel
