Лента TH Новости Биоинженерия


Новое достижение регенеративной медицины

∴ 467

В новом исследовании Nature Communications, двое ученых успешно продемонстрировали динамический контроль окружающей среды вокруг стволовых клеток, чтобы определять их поведение новыми и мощными способами.

799

Что это дает? Импульс для развития регенеративной медицины. Иными словами – мы могли бы научить наши тела регенерировать, как хвост ящерицы. А серьезная травма или болезнь стала бы для нас эквивалентом царапины. Мы можем научиться исцелять ткани путем укорачивания клеток, чтобы восстанавливать или заменять поврежденные области. Это стало бы панацеей для тех, чья жизнь была разрушена инсультом, болезнью Альцгеймера или Паркинсона.

Исследователь института ASU Biodesign Ник Стефанопулос является одним из ведущих деятелей в области регенеративной медицины. В 2015 году Стефанопулос вместе с Алексом Грином и Джереми Миллсом были приглашены в Центр молекулярного проектирования и биомиметики Института биодизайна (CMDB). Глава института – Хао Ян, мировой лидер в области нанотехнологий.

Одна из вещей, которая больше всего привлекла меня в ASU и Biodesign CMDB, это видение Хао в создании группы исследователей, которые используют наномедицину и принципы генного и клеточного проектирования, чтобы создавать новые искусственные материалы. Материалы, которые могут превзойти естественные ограничения. Меня всегда очаровывало использование биологических строительных блоков, таких как белки, пептиды и ДНК, для создания самоорганизующихся структур, устройств и материалов, а междисциплинарная и высокоорганизованная команда в CMDB является идеальным местом для воплощения этого видения в жизнь.Ник Стефанопулос, глава исследования.

Исследовательский центр Яна использует ДНК и другие основные строительные блоки для создания своих нанотехнологических структур.

Они уже создали нанотехнологию для создания контейнеров для специальной доставки лекарств в ткани, создавали роботов для навигации по лабиринту в живых тканях, и нанопровода для электроники.

Чтобы построить производственную отрасль в этом масштабе, их биологические блоки и растворы используют красочный ассортимент молекулярных фрагментов. С объединением ингредиентов, эти строительные блоки могут самособираться в бесконечном количестве способов, ограниченных только законами химии, физики и творческих фантазий начинающих нано-архитекторов.

Целью Центра молекулярного дизайна и биомиметики является использование природоохранных правил в качестве вдохновения в продвижении биомедицинских, энергетических и электронных инноваций через самоорганизующиеся молекулы для создания интеллектуальных материалов. Материалов для лучшего контроля компонентов и для синтеза в системах более высокого порядка.Хао Ян, заведующий кафедрой химии и биохимии в Милтон Глик.

До прихода в ASU Стефанопулос обучался с экспертами в области биологических наноматериалов, получил докторскую степень в Мэрити Фрэнсисе из Калифорнийского университета в Беркли, а также закончил аспирантуру с Сэмюэлем Ступпом в Северо-западном университете. На Северо-Западе он был частью команды, которая разработала новую категорию биологии, спецификой которой стали самособирающиеся пептиды и фрагменты ДНК для регенеративной медицины, с акцентом на развитие нервной ткани.

Мы узнали много естественных правил, лежащих в основе материалов, которые могут собираться самостоятельно. Некоторые из самых элегантных сложных и адаптируемых примеров самосборки встречаются в биологических системах.
Ник Стефанопулос, глава исследования.

Поскольку они созданы природой и используют естественные молекулы, эти материалы также биосовместимы и биоразлагаемы, открывая совершенно новые перспективы для регенеративной медицины.

Набор инструментов Стефанопулоса включает использование белков, пептидов, липидов и нуклеиновых кислот, таких как ДНК, которые имеют богатый биологический потенциал самосборки.

ДНК обладает большим потенциалом для построения самоорганизующихся биоматериалов из-за ее высокопрограммируемой природы, любые две нити ДНК могут быть запрограммированы, чтобы собирать, синтезировать наномасштабные конструкции и устройства с изысканной точностью и сложностью.Ник Стефанопулос, глава исследования.

Основа всего – проектирование.

Во время своего пребывания на Северо-Западе, Стефанопулос работал над рядом проектов и разработал концептуальные технологии для лечения механических травм спинного мозга, регенерации костей и создания наноматериалов для управления дифференцировкой стволовых клеток.

Недавно, в новом исследовании, Стефанопулос и его коллега Ронит Фримен в лаборатории Ступпа успешно продемонстрировали способность динамически контролировать окружающую среду вокруг стволовых клеток, чтобы задавать их поведение новыми и эффективными способами.

В новой технологии материалы сначала химически украшены различными цепями ДНК, каждая из которых имеет уникальный код для сигнала к клеткам.

Чтобы активировать сигналы внутри клеток, растворимые молекулы, содержащие комплементарные нити ДНК, соединяются с короткими фрагментами белка, что называются пептидами, и используют материал для создания двойных спиралей ДНК, отображающих сигнал.

Добавляя несколько капель смеси из ДНК и пептидов, материал сигнализирует стволовым клеткам для воспроизведения и генерации большего количества клеток. Для динамической настройки представления сигнала поверхность подвергается воздействию растворимой однолинейной молекулы ДНК, предназначенной для «захвата» сигнальной цепи и образования новой двойной спирали ДНК, вытесняя старый сигнал с поверхности. Затем этот передатчик можно смыть, отключив сигнал. Чтобы снова включить сигнал, необходимо ввести новую копию однолинейной ДНК с сигналом, который будет подключаться к поверхности материала.

Одним из результатов этой работы является возможность использования синтетического материала для отправки сигнала в нейронные стволовые клетки, чтобы стимулировать размножение. Затем в определенное время, выбранное ученым, тот же материал запускает их дифференциацию.

Использование новой технологии для манипулирования клетками может помочь вылечить пациента с нейродегенеративными состояниями, такими как болезнь Паркинсона. Собственные клетки кожи пациента могут быть перепрограммированы в стволовые клетки с использованием существующих методов. Новая технология может увеличить количество преобразованных стволовых клеток в лабораторных условиях, а затем направить их развитие и трансформацию в конкретный тип нейронов, производящих допамин. После созревания, эти клетки можно трансплантировать обратно пациенту.

Люди нуждаются в клеточной терапии, которая используют стволовые клетки, созданные из других клеток пациента. В принципе, это в конечном итоге станет возможным, но для этого нужны процедуры, которые эффективны для размножения и дифференциации клеток. Наша технология способна на это.Сэмюэль Ступп, соавтор исследования.

В будущем мы, возможно, сможем выполнить финальную стадию процесса прямо в теле. Стволовые клетки отправляются в клинику, программируются и выращиваются, согласно с процедурой исследования, и вводятся в конкретное место. Затем молекулы раствора пептида-ДНК будут введены в пациента для связывания с организмом и манипулированием пролиферацией и дифференцировкой трансплантированных клеток.

Барьеры для технологии.

Одной из будущих проблем в этой области будет разработка материалов, которые могут лучше реагировать на внешние раздражители и соответственно перенастраивать их физические или химические свойства.

Биологические системы сложны, и лечение травм или болезней во многих случаях потребует материала, который может имитировать сложную пространственно-временную динамику роста тканей, которые они используют для лечения. Потребуются гибридные системы, которые объединяют несколько химических элементов. Некоторые компоненты могут обеспечить структуру, другие – биологические сигналы, а третьи – переключаемый элемент, чтобы наделить динамическую структуру соответствующей способностью. Ник Стефанопулос, глава исследования.

Вторая проблема и возможность для регенеративной медицины заключается в создании наноструктур, которые могут организовать материал в нескольких масштабах. Биологические системы сами по себе иерархически организованы: от молекул до клеток, потом тканей и органов, вплоть до организмов. Считайте, что для всех нас жизнь начинается с одной клеткой. К тому времени, когда мы достигнем совершеннолетия, каждое взрослое человеческое тело представляет собой вселенную клеток, в размере 37 триллионов или около того. Один только человеческий мозг имеет 100 миллиардов клеток или примерно такое же количество клеток, как количество звезд в Млечном Пути. Но из-за болезней, времени или генетических сбоев, созвездия клеток раскалываются и отправляются в небытие.

Этот проект ставит целью преодоление подобных препятствий. Но при этом, он требует большего финансирования исследований и привлечения дополнительных талантов в ASU для создания необходимой рабочей силы, что продвинет регенеративную медицину.

В прошлом году исследование Стефанопулоса получило дополнительный импульс от Исследовательской программы США (YIP). Премия YIP в сфере научных исследований будет способствовать разработке исследовательской программы.

При финансовой поддержке в ходе следующего исследования, Стефанопулос хочет еще больше расширить горизонты с помощью сотрудничества других коллег из ASU, чтобы внедрить технологию на уровне клиник. ASU и Biodesign Institute также предлагают работу исследователям в области инженерии, физики и биологии для сотрудничества.

Растет признание того факта, что регенеративная медицина в может стать беспроигрышным вариантом для всего человечества. От создания новых лекарств, до строительства целых организмов. Новой лекарственной промышленностью.

Филипп Дончев