211service.com
Væv, der bygger sig selv
Celler belagt med klæbrige stykker DNA kan selv samles til funktionelle tredimensionelle mikrostrukturer. Denne bottom-up tilgang til vævsteknologi, udviklet af forskere ved Lawrence Berkeley National Laboratory og University of California, Berkeley, giver en ny løsning på et af feltets største problemer: skabelsen af flercellet væv med definerede strukturer. I modsætning til top-down-metoder, hvor videnskabsmænd bygger cellestrukturer på stilladser, giver den nye teknik vævsingeniører mulighed for at diktere de præcise geometriske interaktioner mellem individuelle celler.
Dobbelt problem: To klynger er gået sammen for at danne et større, mere strukturelt komplekst mikrovæv. Ved at justere variabler og tilføje celler i successive iterationer håber forskerne at generere stadig mere sofistikerede samlinger.
Forskere startede med to celletyper - den ene, der udskiller et protein, kaldet en vækstfaktor, som den anden kræver for at vokse. Medforfatter Zev Gartner , nu en farmaceutisk kemiker ved University of California, San Francisco, dekorerede cellerne med udsnit af enkeltstrenget DNA, fastgjort ved hjælp af specialiserede sukkerarter indbygget i cellemembranen. De to celletyper bar komplementære DNA-strenge, som fungerede som en slags velcro. Når de forskellige celler blev kombineret, blev deres komplementære DNA-fragmenter sammenføjet i dobbeltstrenge, der bandt cellerne sammen. Sammen med deres proteinproducerende partnere blomstrer de proteinafhængige celler. Uden DNA-belægningen kan de to celletyper ikke kommunikere, og de afhængige celler dør.
Ved at variere de relative koncentrationer af de to celletyper kunne forskerne manøvrere cellerne til bestemte konfigurationer. For eksempel, når cellerne blev kombineret i et en-til-en-forhold, dannede de simpelthen par. Men da de vækstfaktorafhængige celler var langt flere end deres modstykker, dannede de karakteristiske tredimensionelle klynger med en enkelt vækstfaktorudskillende celle i midten. Resultaterne blev vist mandag i den tidlige online-udgave af Proceedings of the National Academy of Sciences .
Denne tilgang giver en ny måde at genskabe vævskompleksitet, siger Ali Khademhosseini , en assisterende professor ved Harvard-MITs afdeling for sundhedsvidenskab og teknologi og Harvard Medical School, som ikke var involveret i undersøgelsen. De fleste vævsteknologiske metoder producerer tredimensionelle strukturer ved hjælp af stilladsmaterialer.
Da mikrostrukturerne var dannet, havde Gartner og hans kollega Carolyn Bertozzi , direktør for Molecular Foundrys nanovidenskabelige forskningsfacilitet ved Berkeley Lab, fangede dem i en gel og afbildede dem i tre dimensioner ved hjælp af et fluorescensmikroskop. Fordi celleoverflade-DNA'et ikke er stabilt på lang sigt, er det endnu ikke klart, hvor længe strukturerne vil holde op af sig selv. Forskerne er i øjeblikket ved at undersøge, om de forbundne celler vil begynde at generere deres egne naturlige adhæsionsmolekyler for at holde dem fastgjort, når DNA-forbindelserne er væk.
Indtil videre er disse mikrostrukturer rudimentære - langt fra den strukturelle sofistikering af et helt organ. Men ved at justere forholdet mellem celletyper, tætheden af DNA på cellernes overflader og kompleksiteten af DNA-sekvenserne håber Gartner og Bertozzi at bygge større og mere indviklede samlinger. Ved at lege med disse variabler kan vi påvirke den type struktur, vi laver, siger Gartner.
Video
Cellulær velcro: I en ny tilgang til bottom-up vævsteknologi samler to forskellige celletyper sig spontant i tredimensionelle mikrostrukturer som denne, når deres overflader er besat med klæbrige enkeltstrenge af DNA. Fordi DNA'et på de røde celler er komplementært til det på de grønne celler, klæber de naturligt sammen og holder cellerne tæt på hinanden.
Kredit: Bertozzi Lab
Selvom denne nye metode ikke er den første til at tackle vævsteknologi nedefra og op, siger Gartner, at den er den eneste, der er i stand til at opnå fin nok opløsning til at definere, hvordan individuelle celler interagerer med deres naboer. Og selvom denne teknik viser sig ikke at opskalere godt, siger han, kan den i princippet give strukturelle byggesten til brug i andre nye bottom-up tilgange, såsom lag-for-lag vævsprint eller lasermanipulation.
Khademhosseini siger, at det er for tidligt at sige, om den nye teknik på sigt vil producere væv, der er egnet til brug i regenerativ medicin. Det har et stort potentiale, og det kan give terapier i fremtiden, men andre udfordringer skal overvindes for at lave et klinisk levedygtigt produkt, siger han. For eksempel er det stadig at se, hvor cellerne til at dyrke vævet ville komme fra, og hvordan kroppen ville generere nye blodkar til at fodre det transplanterede væv.
Dan Dimitrijevich , direktør for Human Tissue and Cell Engineering Laboratories ved University of North Texas Health Science Center, er mere skeptisk. Han tvivler på, at den nye tilgang vil være i stand til at generere stabilt, sikkert og funktionelt væv, der holder, når det transplanteres til en egentlig levende organisme. Det er interessant videnskab, siger han, men hvad angår vævsteknologi, strækker det sig virkelig.
Selvom det ikke slår igennem med hensyn til regenerativ medicin, mener Gartner, at teknikken stadig kan vise sig nyttig som et værktøj til at studere, hvordan forskellige celletyper kommunikerer - for eksempel i processen med at generere en tumor. Dette giver os nu et nyt værktøj til at tage disse strukturer ud af en menneskelig vært – hvor de naturligvis er meget svære at studere af en række tekniske og etiske årsager – og sætte dem i en kolbe, hvor vi kan studere dem i detaljer over lang tid. perioder, siger han.