Газета «Новости медицины и фармации» 17 (386) 2011

С помощью технологии трехмерной печати ученые научились делать искусственные кровеносные сосуды

Немецкие ученые из института Фраунгофера сообщили, что они занимаются разработкой нового типа трехмерного принтера, способного производить различные искусственные ткани, пронизанные сеткой опять же искусственных кровеносных сосудов. С помощью трехмерного принтера BioRap можно будет изготавливать не только части и фрагменты из искусственных тканей, но и производить весьма сложные искусственные органы, способные успешно заменить органы живых организмов.

Вопрос и технологии создания искусственных тканей с помощью трехмерной печати изучаются различными группами исследователей уже достаточно давно. Но в большинстве случаев изготовленные таким методом образцы искусственных тканей не в состоянии существовать продолжительное время. Это обусловливается отсутствием в них капиллярной системы, по которой происходит снабжение тканей питательными и другими жизненно важными веществами. Ранее с помощью технологий трехмерной печати было практически невозможно со­здать столь маленькие вещи весьма сложной формы, как капиллярные сосуды.

Трехмерные принтеры способны произвести объекты любой формы из большого разнообразия различных материалов, при этом весьма быстро. Но даже сейчас точности самых лучших образцов трехмерных принтеров недостаточно для воспроизведения микроструктур капиллярных сосудов. Однако, комбинируя технологию трехмерной печати с процессом мультифотонной полимеризации, можно получить сложные объекты из упругих материалов, представляющие собой точнейшее воплощение их естественных прототипов.

Короткие, но мощные импульсы лазерного света воздействуют на материал, используемый для трехмерной печати. Эти световые импульсы, сфокусированные в очень малом объеме, воздействуют на молекулы материала таким образом, что между отдельными молекулами возникают дополнительные химические связи. В результате этого процесса, известного как фотополимеризация, материал становится более плотным и приобретает упругость.

Для того чтобы клетки живого организма могли «состыковаться» с тканями искусственных кровеносных сосудов, в состав материала включаются модифицированные молекулы биологического происхождения и активные биохимические препараты, такие как гепарин и связывающие пептиды. На основе этого материала был изготовлен состав «чернил» для трехмерного принтера, состоящий из смеси синтетических полимеров, биомолекул и белков естественного происхождения.

Возможности этой технологии вскоре позволят создавать искусственные органы, внутри которых находятся сосуды искусственной системы кровообращения для организации снабжения тканей питательными веществами. Конечно, первоначально эти искусственные органы не будут пригодны для трансплантации в человеческий организм, но они уже смогут быть использованы для проведения экспериментов с участием животных.

Логические генетические схемы смогут стать препятствием для распространения онкологических заболеваний

Диагностика рака и других онкологических заболеваний является достаточно сложным занятием, особенно на ранних стадиях заболевания, когда разница между здоровыми и раковыми клетками еще не существенна. Было бы замечательно, если бы существовала возможность запрограммировать клетки таким образом, что они сами стали бы реагировать на злокачественные изменения, и оказывается, такая возможность уже существует.

Со многих сторон клетки живых организмов можно рассматривать как микроскопические компьютеры. У них имеется программа, которая закодирована в виде генной последовательности, клетки могут обрабатывать биохимическим способом информацию и обмениваться информацией с другими клетками химическим путем. Так как люди уже научились составлять гены заданной последовательности, мы можем снабдить наши собственные микроскопические компьютеры дополнительными программами, к примеру антивирусами.

Исследователи из Массачусетского технологического института и швейцарского института ETH в Цюрихе успешно спроектировали генетическую логическую цепь, своего рода антивирус, который проверяет живую клетку на наличие рака и в случае обнаружения такового выдает клетке инструкции для совершения самоубийства.

Большинство типов раковых клеток начинают вырабатывать небольшие части РНК, называемые микро-РНК, в количествах, которые существенно отличаются от количеств, вырабатываемых в здоровых клетках. Кроме того, различные виды злокачественных клеток вырабатывают различные типы микро-РНК. Используя это, ученые создали синтетический ген, с помощью которого клетка начинает сама вырабатывать белок, который приводит к некрозу этой клетки. Но для активации этого гена-антивируса требуется наличие в плазме клетки определенных видов микро-РНК и в определенных высоких концентрациях. В здоровых клетках, где концентрация микро-РНК будет низка, ген-антивирус будет находиться в бездействующем состоянии, и клетка будет жить в обычном режиме.

Последняя версия синтетического гена, разработанного учеными, содержит шесть биохимических «выключателей», настроенных на различные виды микро-РНК. Для активации гена требуется, чтобы все шесть выключателей сработали сразу, только в этом случае начинается производство белка, вызывающего некроз клетки. Другими словами, клетка проверяет сама себя на наличие рака шестью разными способами, и если хоть один из них дает отрицательный результат, клетка остается жить дальше.

Таким образом, вместо того, чтобы проводить долгие и дорогостоящие исследования, направленные на определение раковых заболеваний, можно будет только ввести искусственные гены в клетку, клетки сами решат, злокачественны они или нет, и примут соответствующие меры в случае необходимости. Сложность логической схемы гарантирует, что только раковые клетки убьют сами себя, а саму схему можно настроить на определение различных типов рака или других онкологических заболеваний.

Продемонстрировав на практике возможности логических генных схем, исследователи оптимистично надеются, что новая технология в будущем может использоваться в более широких масштабах для обнаружения и профилактики не только онкологических, но и других заболеваний, меняющих внутреннюю биохимию клетки.

Японские ученые нашли способ сделать прозрачными ткани биологического происхождения

Все новые достижения в области микроскопии, о которых мы рассказывали ранее, были сделаны для того, чтобы помочь ученым «видеть глубже», посмотреть на отдельно взятые клетки, скрытые в глубинах мозга. Конечно, это сделать было бы во много раз легче, если бы над интересующими объектами не было слоя других тканей. И у японских ученых есть решение этой проблемы — достаточно сделать прозрачными мешающие ткани.

Новый химический препарат, разработанный японскими учеными, работает пока только с нервными тканями, тканями головного мозга. Но он делает их прозрачными, позволяя без препятствий изучать те клетки тканей, которые были специально помечены для этого флуоресцентным красителем. Такой метод позволяет рассмотреть отдельные нейроны, микроскопические кровеносные сосуды и сделать трехмерные снимки без необходимости снятия с образца мешающих слоев тканей или разделения образца на более мелкие фрагменты.

К сожалению, данный метод не работает с живыми тканями, по крайней мере сейчас. Но исследователи из Института физических и химических исследований (RIKEN), ведущего японского научно-исследовательского учреждения, собираются разработать новый, менее агрессивный препарат, который позволит изучать таким образом и живые ткани.

Препарат, названный Scale, состав которого пока не разглашается, имеет уникальные свойства. Его воздействие не изменяет структуру и плотность обработанных образцов. Но для получения изображения образец требуется модифицировать на генном уровне, добавив в интересующие клетки тканей флуоресцентные белки. Обработка препаратом Scale делает прозрачной абсолютно всю ткань, а облучение светом заставляет светиться флуоресцентные белки, находящиеся в помеченных клетках, демонстрируя ученым форму и строение.

Использование флуоресцентных белков и препарата Scale уже позволило ученым RIKEN сделать съемку и составить топографию нейронных связей в мозге на глубине в несколько миллиметров. Согласно заявлению Ацуши Мияуоки, этот метод дает намного лучшие результаты, чем методы, использовавшиеся учеными ранее.

Помимо тканей головного мозга новый метод может работать и с несколькими другими видами тканей биологического происхождения. Исследователи планируют проверить работоспособность препарата Scale на тканях сердца, почек и мышечных тканях, взятых у животных-приматов и человека. Результаты данных исследований были опубликованы в последнем выпуске журнала Nature Neuroscience.