Новая технология дизайна может включать персонализированную медицину, исследования проводки мозга.
Заимствования из методов микрофибрации, используемых в полупроводниковой промышленности, инженеры MIT и Harvard Medical School (HMS) разработали простой и недорогой способ создания трехмерных тканей мозга в лабораторном блюде.
Новая методика дает тканевые конструкции, которые точно имитируют клеточный состав людей в живом мозге, позволяя ученым изучать, как нейроны образуют связи, и предсказать, как клетки от отдельных пациентов могут реагировать на разные лекарства. По словам исследователей, эта работа также открывает путь для разработки биоинженерных имплантатов для замены поврежденной ткани для систем органов.
«Мы считаем, что, осуществляя такой контроль и манипуляцию в нейробиологии, мы можем исследовать множество разных направлений», – говорит Уткан Демирци, доцент кафедры здравоохранения и технологии Гарварда-Массачусетского технологического института (HST).
Демирси и Эд Бойден, адъюнкт-профессор биологической инженерии и мозга и когнитивных наук в Media Lab и MgGovern Institute, являются старшими авторами статьи, описывающей новую технику, которая появилась в интернет-издании 27 ноября в журнале Advanced Materials. Ведущим автором статьи является Умут Гуркан, постдоктор в HST, Гарвардская медицинская школа и Бригам и женская больница.
«Уникальные проблемы»
Хотя исследователи добились определенных успехов в выращивании искусственных тканей, таких как печень или почка, «мозг представляет некоторые уникальные проблемы», – говорит Бойден. «Одна из проблем – невероятная пространственная гетерогенность. Существует так много видов ячеек, и у них такая сложная проводка ».
Мозговая ткань включает в себя множество типов нейронов, включая ингибирующие и возбуждающие нейроны, а также вспомогательные клетки, такие как глиальные клетки. Все эти клетки встречаются в определенных соотношениях и в определенных местах.
Чтобы имитировать эту архитектурную сложность в их инженерных тканях, исследователи встроили смесь клеток мозга, взятых из первичной коры крыс, в листы гидрогеля. Они также включали компоненты внеклеточной матрицы, которые обеспечивают структурную поддержку и помогают регулировать поведение клеток.
Затем эти листы были уложены в слои, которые могут быть герметизированы вместе с использованием легких для сшивания гидрогелей. Покрывая слои гелей пластическими фотомасками различной формы, исследователи могли контролировать, насколько гель был подвергнут воздействию света, тем самым контролируя трехмерную форму многослойной тканевой конструкции.
Этот тип фотолитографии также используется для построения интегральных схем на полупроводниках – процесса, для которого требуется машина выравнивания фотомаски, которая стоит десятки тысяч долларов. Тем не менее, команда разработала гораздо менее дорогой способ сборки тканей с использованием масок, изготовленных из листов пластика, похожих на верхние прозрачные пленки, удерживаемые на месте с помощью штифтов выравнивания.
Кубики ткани могут быть изготовлены с точностью 10 микрон, что сопоставимо с размером тела одной клетки. На другом конце спектра исследователи стремятся создать кубический миллиметр ткани мозга с 100 000 клетками и 900 миллионами соединений.
Новая система является первой, которая включает в себя все необходимые функции для создания полезных трехмерных тканей: она недорогая, точная и позволяет создавать сложные шаблоны, говорит Метин Ситти, профессор машиностроения в Университете Карнеги-Меллона. «Многие люди могут легко использовать этот метод для создания гетерогенных сложных гелевых структур», – говорит Ситти, который не был членом исследовательской группы.
Отвечая на фундаментальные вопросы
Поскольку ткани включают разнообразный репертуар клеток мозга, происходящих в тех же соотношениях, что и в естественной мозговой ткани, их можно использовать для изучения того, как нейроны образуют связи, которые позволяют им общаться друг с другом.
«В краткосрочной перспективе есть много фундаментальных вопросов, на которые вы можете ответить, как клетки взаимодействуют друг с другом и реагируют на экологические сигналы», – говорит Бойден.
В качестве первого шага исследователи использовали эти тканевые конструкции для изучения того, как окружающая среда нейрона может ограничить его рост. Для этого они помещали одиночные нейроны в гель-кубы разных размеров, затем измеряли нейриты клеток, длинные удлинения, которые нейроны используют для связи с другими клетками. Оказывается, в этих условиях нейроны становятся «клаустрофобными», говорит Демирци. «В небольших гелях они не обязательно отправляют длинные нейриты, как в пятикратном геле».
В долгосрочной перспективе исследователи надеются получить лучшее представление о том, как разработать имплантаты тканей, которые можно использовать для замены поврежденной ткани у пациентов. В этой области было проведено много исследований, но было сложно выяснить, правильно ли связаны новые ткани с существующей тканью и обмен правильными видами информации.
Другой долгосрочной целью является использование тканей для персонализированной медицины. В один прекрасный день врачи могут принимать клетки от пациента с неврологическим расстройством и превращать их в индуцированные плюрипотентные стволовые клетки, а затем побуждать эти конструкции вырастать в нейроны в лабораторном блюде. Выставляя эти ткани многим возможным лекарственным средствам, «вы могли бы выяснить, сможет ли препарат выиграть у этого человека, не затрачивая много времени на то, чтобы давать им много разных лекарств», – говорит Бойден.
Другие авторы статьи – Янтао Фан, приглашенный аспирант HMS и HST; Feng Xu и Emel Sokullu Urkac, postdocs в HMS и HST; Гунес Парлакгул, приглашенный студент-медик в HMS и HST; Аспиранты Массачусетского технологического института Яков Бернштейн и Бурку Эркмен; и Вангли Син, профессор Университета Цинхуа.
Исследование финансировалось Национальным научным фондом, Фондом семьи Пол Аллена, Фондом стволовых клеток в Нью-Йорке, Национальными институтами здравоохранения, Институтом инженерии и технологий им. А. Харви и лабораторией MIT Lincoln.