211service.com
Vävnader som bygger sig själva
Celler belagda med klibbiga bitar av DNA kan självmontera till funktionella tredimensionella mikrostrukturer. Denna nedifrån och upp-strategi för vävnadsteknik, utvecklad av forskare vid Lawrence Berkeley National Laboratory och University of California, Berkeley, ger en ny lösning på ett av fältets största problem: skapandet av flercelliga vävnader med definierade strukturer. Till skillnad från top-down-metoder, där forskare bygger cellstrukturer på byggnadsställningar, tillåter den nya tekniken vävnadsingenjörer att diktera de exakta geometriska interaktionerna mellan enskilda celler.
Dubbeltrubbel: Två kluster har gått samman för att bilda en större, mer strukturellt komplex mikrovävnad. Genom att justera variabler och lägga till celler i successiva iterationer hoppas forskarna kunna generera allt mer sofistikerade sammansättningar.
Forskare började med två celltyper – en som utsöndrar ett protein, en så kallad tillväxtfaktor, som den andra behöver för att växa. Medförfattare Zev Gartner , nu en farmaceutisk kemist vid University of California, San Francisco, dekorerade cellerna med bitar av enkelsträngat DNA, fäst med hjälp av specialiserade sockerarter som införlivats i cellmembranet. De två celltyperna bar komplementära strängar av DNA, som fungerade som ett slags kardborreband. När de olika cellerna kombinerades förenades deras komplementära DNA-fragment till dubbla strängar och länkade samman cellerna. De proteinberoende cellerna blomstrar tillsammans med sina proteinproducerande partners. Utan DNA-beläggningen kan de två celltyperna inte kommunicera, och de beroende cellerna dör.
Genom att variera de relativa koncentrationerna av de två celltyperna kunde forskarna manövrera cellerna till särskilda konfigurationer. Till exempel, när cellerna kombinerades i ett ett-till-ett-förhållande, bildade de helt enkelt par. Men när de tillväxtfaktorberoende cellerna var betydligt fler än sina motsvarigheter, bildade de karakteristiska tredimensionella kluster med en enda tillväxtfaktorutsöndrande cell i mitten. Resultaten dök upp på måndagen i den tidiga onlineupplagan av Proceedings of the National Academy of Sciences .
Detta tillvägagångssätt ger ett nytt sätt att återskapa vävnadskomplexitet, säger Ali Khademhosseini , en biträdande professor vid Harvard-MIT:s avdelning för hälsovetenskap och teknologi och Harvard Medical School, som inte var involverad i studien. De flesta vävnadstekniska metoder producerar tredimensionella strukturer med hjälp av ställningsmaterial.
När mikrostrukturerna hade bildats, Gartner och hans kollega Carolyn Bertozzi , chef för Molecular Foundrys nanovetenskapliga forskningsanläggning vid Berkeley Lab, fångade dem i en gel och avbildade dem i tre dimensioner med hjälp av ett fluorescensmikroskop. Eftersom cellytans DNA inte är stabilt på lång sikt är det ännu inte klart hur länge strukturerna kommer att hålla i sig själva. Forskarna undersöker för närvarande om de länkade cellerna kommer att börja generera sina egna naturliga adhesionsmolekyler för att hålla dem fästa när DNA-länkarna är borta.
Än så länge är dessa mikrostrukturer rudimentära - långt ifrån den strukturella sofistikeringen av ett helt organ. Men genom att justera förhållandet mellan celltyper, tätheten av DNA på cellernas ytor och komplexiteten i DNA-sekvenserna hoppas Gartner och Bertozzi kunna bygga större och mer invecklade sammansättningar. Genom att leka med dessa variabler kan vi påverka vilken typ av struktur vi skapar, säger Gartner.
Video
Cellulär kardborre: I ett nytt tillvägagångssätt för bottom-up vävnadsteknik, sammanfogar två olika celltyper spontant sig själva till tredimensionella mikrostrukturer som denna när deras ytor är översållade med klibbiga enkla DNA-strängar. Eftersom DNA på de röda blodkropparna är komplementära till det på de gröna cellerna, håller de sig naturligt ihop och håller cellerna nära varandra.
Kredit: Bertozzi Lab
Även om den här nya metoden inte är den första som tar itu med vävnadsteknik från botten och upp, säger Gartner att det är den enda som kan ha tillräckligt bra upplösning för att definiera hur enskilda celler interagerar med sina grannar. Och även om den här tekniken visar sig inte skala upp bra, säger han, kan den i princip tillhandahålla strukturella byggstenar för användning i andra framväxande nedifrån-och-upp-tillvägagångssätt, såsom lager-för-lager-vävnadsutskrift eller lasermanipulation.
Khademhosseini säger att det är för tidigt att säga om den nya tekniken så småningom kommer att producera vävnader som är lämpliga för användning i regenerativ medicin. Det har mycket potential, och det kan ge terapier i framtiden, men andra utmaningar måste övervinnas för att göra en kliniskt gångbar produkt, säger han. Till exempel återstår det att se var cellerna för att växa vävnaden skulle komma ifrån, och hur kroppen skulle generera nya blodkärl för att mata den transplanterade vävnaden.
Dan Dimitrijevich , chef för laboratorierna för mänsklig vävnad och cellteknik vid University of North Texas Health Science Center, är mer skeptisk. Han tvivlar på att det nya tillvägagångssättet kommer att kunna generera stabila, säkra och funktionella vävnader som håller i sig när de transplanteras till en verklig levande organism. Det är intressant vetenskap, säger han, men när det gäller vävnadsteknik är det verkligen stretching.
Även om det inte fungerar i termer av regenerativ medicin, tror Gartner att tekniken fortfarande kan visa sig användbar som ett verktyg för att studera hur olika celltyper kommunicerar – till exempel i processen att generera en tumör. Detta ger oss nu ett nytt verktyg för att ta dessa strukturer ur en mänsklig värd – där de uppenbarligen är mycket svåra att studera av ett antal tekniska och etiska skäl – och lägga dem i en kolv där vi kan studera dem i detalj under lång tid. perioder, säger han.