Videnskab henter inspiration overalt til et gennembrud. En klistret plade med bakterier gav os det første antibiotikum - penicillin. Kombination af gær med en platinelektrode under spænding gav os et stærkt kemoterapimiddel - cisplatin. Dr. Andrew Pelling fra University of Ottawa henter sine radikale ideer fra science fiction-klassikeren The Little Horror Store. Især kan han lide filmens hovedantagonist: den kannibalistiske plante Aubrey 2.
Det er noget, der ligner en plante med pattedyrstræk, sagde Pelling på konferencen Exponential Medicine i San Diego denne uge. "Så vi begyndte at undre os: kan dette dyrkes i et laboratorium?"
Pellings ultimative mål er naturligvis ikke at bringe et sci-fi-monster til live. I stedet ønsker han at forstå, om konventionelle planter kan give den nødvendige struktur til at erstatte humant væv.
Fremkomst af mekanobiologi
At dyrke et menneskeligt øre fra æbler kan virke som en mærkelig proces, men Pelling's udgangspunkt er, at fibrøse indvendige stoffer er påfaldende svarende til de miljømiljøer, hvori bioingenieret menneskeligt væv normalt dyrkes i laboratorier.
For at foretage en øreudskiftning, for eksempel, skærer forskere rutinemæssigt eller 3D-print hule støttestrukturer fra dyre biokompatible materialer. De inokulerer derefter menneskelige stamceller i denne struktur og forsyner den nøje med en cocktail af vækstfaktorer og næringsstoffer, hvilket tilskynder cellerne til at vokse. Til sidst, efter uger og måneder med inkubation, spreder cellerne sig og differentieres til hudceller i skoven. Resultatet er et bioingenieret øre.
Problemet er, at adgangsbarrieren er meget høj: stamceller, vækstfaktorer og materialer til skove er alle dyre at købe og vanskelige at fremstille.
Salgsfremmende video:
Men er disse komponenter virkelig nødvendige?
Gennem en række eksperimenter har Pelling og andre opdaget, at disse mekaniske kræfter ikke kun er et biprodukt fra biologi; snarere regulerer de grundlæggende de underliggende molekylære mekanismer i cellen.
Tidligere undersøgelser har vist, at hvert trin i fostervækst -”en grundlæggende proces i biologi” - kan reguleres og kontrolleres ved hjælp af mekanisk information. Med andre ord kan fysiske kræfter inducere celler til at dele sig og migrere gennem væv, da vores genetiske kode er vejledende for udviklingen af hele organismen.
På laboratoriet ser celler og mekanisk stimulerende celler ud til at ændre deres opførsel radikalt. I en test sprøjtede Pells team kræftceller på et ark hudceller dyrket i bunden af en petriskål. Kræftceller mødes i små kugler og danner en klar barriere mellem mikrotumor og hudceller.
Men da forskerholdet placerede hele det cellulære system i en enhed, der strakte det lidt - efterlignende respiration og kropsbevægelse - blev tumorcellerne aggressive og invaderede laget af hudceller.
Hvad er endnu køligere: ingen aktiv bevægelse kræves for mekaniske kræfter til at transformere celleopførsel. Formen for mikromiljøet er tilstrækkelig til at vejlede deres handlinger.
For eksempel, når Pelling placerede to typer celler i en rillet fysisk struktur, blev cellerne løsrevet i løbet af få timer, og den ene type voksede i rillerne og den anden på højere rygger. Ved at føle formen på denne bølgede overflade "lærte de" at adskille og rumligt passe.
Altså: ved kun at bruge en form kan celler stimuleres til at danne komplekse tredimensionelle modeller.
Og her hjælper æblet os.
Et æble … eller et øre?
Under mikroskopet er et æbles mikromiljø i samme længdeskala som kunstige overflader til fremstilling af erstatningsvæv. Denne opdagelse fik forskere til at undre sig: er det virkelig muligt at bruge denne planteoverfladestruktur til at dyrke menneskelige organer?
For at teste dette tog de et æble og vaskede alle dets planteceller, DNA og andre biomolekyler. Der er kun fibrøse stilladser tilbage - de sidder stadig fast i dine tænder. Da teamet placerede mennesker og dyr celler inde, begyndte cellerne at vokse og sprede sig.
Opmuntret af resultatet skar forskerne et æble i form af et menneskeligt øre og gentog processen ovenfor. Inden for et par uger spredte cellerne sig og omdannede et stykke æble til et kødfuldt menneskeligt øre.
Selvfølgelig vil en form ikke være nok. Udskiftningsvævet skal også slå rod inde i kroppen.
Holdet implanterede derefter æbleskove lige under musens hud. På bare otte uger koloniserede sunde museceller ikke kun matrixen, men gnaverens krop producerede også nye blodkar, der hjalp skoven med at leve og trives.
Bioingenieret væv har tre vigtige egenskaber: det er sikkert, det er biokompatibelt, og det er produceret fra en vedvarende, etisk kilde.
Skift fra teori til praksis
Pelling er især imponeret over hendes resultater på grund af dens enkelhed: det kræver ikke, at stamceller eller eksotiske vækstfaktorer fungerer. Den elegante tilgang bruger simpelthen plantens fysiske struktur.
Holdet udvider i øjeblikket deres arbejde til tre hovedområder inden for vævsteknik: blødt vævsbrusk, knoglevæv, rygmarv og nerver. Vigtigheden er at matche den specifikke mikrostruktur af planten med vævet.
Og hvorfor begrænse os til det legeme, som naturen gav os? Hvis stilladsformer er den eneste determinant for vævs- eller orgelteknik, hvorfor så ikke oprette dine egne figurer?
Pelling bevæbnede sig med denne idé og skabte et designfirma, der ville stillads tre forskellige typer ører: almindelige menneskelige ører, spidse ører som Spocks og bølgede ører, som i teorien kunne undertrykke eller forbedre forskellige frekvenser.
Ilya Khel
