Газета «Новости медицины и фармации» 9 (364) 2011

Искусственно выращенный в чашке Петри мозг обладает 12-секундной памятью

То, что вы видите на приведенном снимке, является искусственным мозгом, состоящим из 60 нейронов, выращенным в чашке Петри. Проводя исследования этого нервного образования, ученые из Университета Питтсбурга выяснили, что этот миниатюрный мозг обладает кратковременной памятью, благодаря чему он может помнить события, произошедшие не позже 12 секунд.

Для выращивания этого искусственного микромозга ученые взяли кремниевый диск, покрытый слоем белка. На белок были помещены нервные клетки, изъятые из гиппокампуса мозга эмбриона крысы. Эти клетки, попав в благоприятные условия, продолжали развиваться, создавая замкнутую нейронную сеть, способную к генерации, передаче и приему электрических сигналов.

Исследователи обнаружили, что возбуждение от внешнего электрического импульса «блуждает» по нейронной сети в течение 12 секунд, что на 11,75 секунды больше значения, которое предполагали получить ученые. А это означает, что нейроны не только передавали принимаемые сигналы, но и хранили их некоторое время, формируя таким образом своего рода краткосрочную память.

Теперь же, когда у ученых есть «минимозг в блюдце», способный запоминать события, исследователи планируют использовать его для того, чтобы точно выяснить каким образом происходит передача электрических сигналов и как нейронные сети нашего собственного головного мозга могут с высокой эффективностью обрабатывать и хранить информацию.

Первые субнаномасштабные снимки белка болезни Хантингтона

У ченые Национальной лаборатории Оук Ридж (Oak Ridge National Laboratory, ORNL) Министерства энергетики США и Университета Теннесси (University of Tennessee, UT) описали самые ранние стадии структурного формирования патологического типа белка, вызывающего болезнь Хантингтона. Это неизлечимое наследственное нейродегенеративное заболевание диагностируется у каждого десятитысячного американца и всегда имеет смертельный исход.

Причиной болезни Хантингтона является белок хантингтин, разрушающий нейроны в областях мозга, связанных с эмоциями, интеллектом и движениями. У каждого человека есть нормальный хантингтин, который, как известно, важен для существования организма, хотя его точные биологические функции остаются неясными.

Чтобы исследовать самые ранние формы скоплений хантингтина, которые считаются наиболее токсичными, Кристофер Стэнли (Christopher Stanley) из ORNL и Валери Бертельер (Valerie Berthelier) из Высшей школы медицины UT, изучающие фолдинг и мисфолдинг белков при болезни Хантингтона, использовали аппарат с малым углом нейтронного рассеяния, называемый Bio-SANS (Biological Small-Angle Neutron Scattering).

В исследовании, опубликованном в журнале Biophysical Journal, Стэнли и Бертельеру удалось определить размер и массу структур мутантного белка хантингтина — от самых ранних мельчайших сферических предшественников, состоящих из двух (димеры) и трех (тримеры) пептидов, и путь их агрегации в фибриллы, образующиеся на более поздней стадии заболевания. Кроме того, они «заглянули» внутрь таких фибрилл и определили их структуру, что значительно углубляет понимание процесса агрегации пептидов.

В Bio-SANS нейтронный пучок проходит через серию зеркал, фокусирующих его на образце. Нейтроны взаимодействуют с образцом, предоставляя данные о его атомной структуре, а затем рассеиваются и определяются детектором. На основе данных о структуре рассеивания ученые могут вывести размер и форму агрегирующего белка в масштабе менее чем миллиардная часть метра в каждый момент процесса его роста.

Bio-SANS оказалось под силу отличить мельчайшие пептидные агрегаты в исследуемом растворе от быстро образующихся и растущих скоплений большего размера, присутствующих одновременно. В отдельных экспериментах ученым удалось пронаблюдать исчезновение отдельных пептидов, а также формирование зрелых фибрилл.

Теперь, когда известна структура, появляется надежда на разработку лекарственных препаратов, способных противостоять токсичным свойствам патологического хантингтина на ранних стадиях заболевания или предотвратить само появление токсичности. «Теперь нужно будет взять молекулы лекарственных препаратов и посмотреть, как они взаимодействуют с этими структурами и какое оказывают на них влияние», — говорит Стэнли.

Ученые считают, что Bio-SANS будет полезен как для дальнейшего изучения белковых скоплений при болезни Хантингтона, так и для исследования процессов агрегации других белков, например, вовлеченных в развитие болезней Альцгеймера и Паркинсона.

Крошечная турбина, установленная в венах, будет вырабатывать энергию, используя движение крови

В настоящее время ученые и инженеры изобретают все больше способов получения энергии из самых разнообразных источников, способных отдать излишки своей энергии. Океанские волны, солнце, ветер, автомобили на дорогах и даже люди, неторопливо передвигающиеся по тротуарам, — все это становится источником экологически чистой энергии. Швейцарские исследователи обратили свое внимание еще на один маломощный источник энергии — кровоток в человеческом теле. Используя миниатюрную турбину, устанавливаемую в кровеносном сосуде, исследователи планируют получать микроватты энергии, что достаточно для снабжения энергией ряда имплантируемых медицинских электронных устройств.

Внедренные медицинские устройства, такие как кардиоводители, датчики артериального давления, измерители уровня глюкозы, нейростимуляторы и устройства ввода лекарственных препаратов, для своей работы требуют очень малое количество энергии. Сейчас эта энергия поставляется из малогабаритных батареек или аккумуляторов, но так или иначе все имплантируемые устройства должны устанавливаться в легкодоступных местах организма, что позволяет производить периодическую замену элементов питания. Энергетическая независимость устройств от элементов питания позволит устанавливать их в местах, наиболее благоприятных и подходящих для выполняемых ими функций.

Исследователи Бернского университета прикладных наук (Bern University of Applied Sciences) разработали три разновидности миниатюрных турбин-электрогенераторов. Эти турбинки были установлены в полости трубы, которая имитировала грудную артерию — кровеносный сосуд шириной в несколько миллиметров. Оказалось, что только одна конструкция турбины была эффективной, она смогла выработать 800 микроватт энергии — вполне достаточно для приведения в действие современных кардиоводителей и ряда других медицинских устройств.

Ученые опасаются, что такие турбины, установленные в кровотоке, могут стать причиной образования сгустков крови. Кровь, проходя сквозь места «с турбуленцией», имеет тенденцию сгущаться. Если завихрения потока, вызываемые турбиной, станут причиной образования сгустков крови, то внедрение таких турбин может стать смертельно опасным для пациента мероприятием.

Принимая в расчет потенциальную опасность такой идеи, исследователи собираются посвятить еще какое-то время дополнительным исследованиям и доработке конструкции турбины. Следует отметить, что идея такой турбины уже была ранее использована при разработке миниатюрного самодвижущегося медицинского робота. Но, по всей видимости, в медицине больший приоритет будут иметь другие источники энергии, такие как пьезоэлектрические генераторы, вырабатывающие энергию от сокращения мышц, или термоэлектрические генераторы, использующие разницы температур в пределах человеческого тела.

«Заплатка» из наноматериала может помочь восстановить пораженные области сердца

Во многих случаях во время сердечного приступа погибает достаточно много клеток сердечной мышцы. В особо тяжелых случаях погибают целые обширные области, на восстановление которых уходит много времени, медикаментов и денег. В недалеком будущем благодаря усилиям исследователей из Университета Брауна в Род-Айленде и их коллег из Индии такое случаться не будет. Они разработали специальную «заплатку» из углеродного наноматериала, которая, как показывают испытания, способствует быстрому восстановлению клеток сердечной мышцы. Поместив такую «заплатку» на сердце, можно добиться полной регенерации пораженного участка.

«Заплатка» диаметром 22 миллиметра и толщиной 15 микрон изготовлена из материала, имеющего сеткообразную структуру. Благодаря использованию углеродных нанотрубок, связанных полимерным материалом, одобренным к применению в медицине, ткань может растягиваться и сокращаться подобно живой ткани сердечной мышцы. Волокна из углеродных нанотрубок являются превосходными проводниками электронов, поэтому они в состоянии передать электрические импульсы, за счет которых поддерживается устойчивый ритм биения сердца.

Во время испытания нового материала на его поверхность был наложен слой клеток сердца — кардиомициотов (cardiomyocytes). Всего после четырех часов на поверхности наноматериала оказалось в пять раз больше клеток, чем на соседнем контрольном участке, покрытом только чистым полимерным материалом. Это число, означающее плотность клеток, увеличилось до шести на протяжении следующих пяти дней. Помимо этого, после четырех дней эксперимента плотность нейронов, пронизывающих клеточную ткань, наросшую на наноматериале, в два раза превышала плотность на контрольном участке.

Согласно заявлению исследователей, именно эластичность структуры материала и электрические свойства нанопроводников делают этот материал идеальным «нерестилищем» для новых клеток-кардио­миоцитов и нейронов. Следующим шагом будет усовершенствование структуры материала с целью обеспечения большей эластичности и электропроводности. Только после этого такая «заплатка» будет помещена на сердце живого организма и будут проведены исследования ее влияния на работу самого сердца и режим его биения. А после всего этого ученым еще предстоит выяснить, будут ли работать клетки-кардиомиоциты, выращенные на материале, точно так же, как и обычные клетки сердечной ткани.

Результаты исследований, проведенных учеными Университета Брауна совместно с учеными индийского Технологического института Канпур (Indian Institute of Technology Kanpur), были представлены в журнале Acta Biomaterialia.