Биочернила из модифицированного желатина

Биочернила из модифицированного желатина для 3D-печати

То, что сегодня кажется фантастикой – выращивание искусственных тканей и органов, – уже несколько лет разрабатывается в лабораториях ученых. 3D-биопринтингом – печатью тканей с помощью струйных принтеров – занимаются и в Институте межфазной инженерии и биотехнологий Фраунгофера (Fraunhofer Institute for Interfacial Engineering and Biotechnology, IGB) в Штутгарте. Одну из своих последних разработок немецкие ученые представили на выставке Biotechnica, проходившей в Ганновере 8–10 октября 2013 г.

По данным Немецкого фонда трансплантации органов (German Organ Transplantation Foundation), количество доноров органов в первой половине 2013 года снизилось более чем на 18 процентов по сравнению с тем же периодом предыдущего года. В то же время можно с уверенностью сказать, что спрос на органы будет постоянно расти, потому что мы продолжаем стареть, а область трансплантационной медицины постоянно развивается. Многие серьезнейшие заболевания уже сегодня можно успешно лечить заменой клеток, тканей или органов. Поэтому ученые упорно работают над усовершенствованием методов производства искусственных тканей. Это то, чем можно восполнить дефицит донорских органов.

Решающую роль в этой области может сыграть технология, с которой все мы хорошо знакомы, но большинство из нас, конечно, не связывают ее с производством искусственных тканей. Это струйный принтер. Ученые из IGB достигли значительного успеха в разработке биочернил, пригодных для использования в биопечати.

Ученые используют струйные принтеры. (Фото: © Fraunhofer IGB)

Эти прозрачные жидкости состоят из компонентов природного тканевого матрикса и живых клеток. Новые биочернила основаны на хорошо известном биологическом материале – желатине. Желатин получают из коллагена – основного компонента соединительной ткани. Чтобы адаптировать биологические молекулы для печати, исследователи модифицировали гелеобразующие свойства желатина. В отличие от немодифицированного желатина, быстро образующего гидрогель, биочернила в процессе печати остаются жидкими. Жидкость превращается в гидрогель только после облучения ультрафиолетовым светом, сшивающим молекулы коллагена.

Полимеры из модифицированного желатина – как и природные ткани – содержат огромное количество воды, но остаются стабильными в водной среде и при нагревании до физиологических 37°С. Химическую модификацию биологических молекул можно контролировать, с тем чтобы получать гели с различными характеристиками прочности и набухания. Это позволяет имитировать свойства разных естественных тканей – от твердого хряща до мягкого жира.

В Штутгарте печатаются и синтетические материалы – искусственные заменители внеклеточного матрикса. Примером тому система, которая при отверждении дает гидрогель, лишенный побочных продуктов, и может быть немедленно заполнена живыми клетками. Но на данный момент наибольшее внимание ученые уделяют «естественному» варианту гидрогелей.

«Несмотря на то, что синтетические гидрогели обладают большим потенциалом, нам еще многое нужно узнать о взаимодействиях между искусственными веществами и клетками или природными тканями. Наши основанные на биомолекулах варианты обеспечивают клетки естественной средой и поэтому могут стимулировать самоорганизацию клеток в модель функциональной ткани», – объясняет доктор Кирстен Борхерс (Kirsten Borchers), представлявшая новую разработку на выставке.

Принтеры в лаборатории в Штутгарте имеют много общего с обычными офисными принтерами – различия обнаруживаются только при ближайшем рассмотрении. Например, нагреватель на чернильном контейнере, с помощью которого устанавливается температура биочернил. Кроме того, у биопринтеров меньше струй и резервуаров, чем у их офисных «коллег».

«Нам хотелось бы увеличить их количество, чтобы одновременно печатать разными чернилами с разными клетками и матриксами. Так мы сможем приблизиться к воспроизведению сложных структур и различных типов тканей», – говорит Борхерс.

В лаборатории, а не в офисе: для нанесения клеточных суспензий на переливающиеся розовые пластинки из гидрогеля, препятствующие высыханию,
Большой проблемой на данный момент является создание васкуляризированной ткани. Это означает, что ткань должна иметь свою собственную систему кровеносных сосудов, снабжающую ее питательными веществами. Вместе с партнерами IGB работает над этой проблемой в рамках проекта ArtiVasc 3D при поддержке Европейского Союза. Сутью этого проекта является технологическая платформа для создания мелких кровеносных сосудов из синтетических материалов и первой искусственной кожи с ее подкожной жировой клетчаткой.

«Этот этап очень важен для будущей печати тканей или целых органов, – комментирует Борхерс. «Печать более крупных тканевых структур станет возможной только тогда, когда мы достигнем успеха в получении ткани, которая питается системой кровеносных сосудов».

Источник - http://www.fraunhofer.de/en/press/research-news/2013/oktober/need-different-types-of-tissue-just-print-them-2.html

 Для тех, кому интересны  технологии биопечати -  2009 год TED MED

Миссия "The Frontier Fields". Увидеть начало.

Стартовала новая масштабная космическая миссия

Три мощных космических телескопа объединили свои усилия, чтобы заглянуть в далекий космос.

Приятно слышать, что успешно стартовала новая важная для науки космическая программа под названием "The Frontier Fields", в рамках которой ученые объединят мощность трех орбитальных телескопов для того, чтобы заглянуть в самые отдаленные уголки космоса при помощи естественных трансфокаторов, обнаруженных в космосе.

В ходе новой миссии "The Frontier Fields", будут объединены возможности трех мощных космических телескопов "Хаббла", "Чандры" и "Спитцера" для того, чтобы получить возможность увидеть далекие галактики, которые в 100 раз тусклее, чем те, которые могут обычно быть видимы наземными и космическими телескопами.

В рамках этой амбициозной миссии, астрономы на протяжении трех последующих лет будут наблюдать за шестью массивными галактическими кластерами при использовании метода гравитационного линзирования.

"Миссия "The Frontier Fields" поможет ученым открыть самые сокровенные тайны Вселенной" - сообщил Джон Грансфелд (John Grunsfeld), со администратор миссии из NASA.

Первым объектом исследования миссии станет галактический кластер Abell 2744, больше известный как кластер Пандоры.

Мини-мозг.

Мини-мозг и гибриды человека и мыши позволят раскрыть электрическую схему мозга

Инициатива администрации Обамы в области нейрологии подчеркивает необходимость использования новых технологий для лучшего понимания функционирования электрических схем головного мозга как в большом, так и в малом масштабе. Различные существа – от круглых червей до мышей – будут находиться в центре внимания этой программы, потому что человеческий мозг слишком сложен, а этические вопросы слишком запутаны, и пока невозможно проводить анализ собственно человеческого органа каким-то имеющим смысл образом.

Но что бы произошло, если бы уже существовало средство для понимания того, как мозг организует себя в электрическую схему, и если бы уже была возможность использовать полученные знания для изучения процессов, происходящих при разного рода неврологических расстройствах на ранних этапах жизни человека?

В сообщениях, публикуемых в научных журналах, стала постепенно просачиваться информация относительно того, каким образом стволовые клетки спонтанно организовываются и образуют сложную материю мозга – некоторые ученые называют полученный результат мини-мозгом.

Кристофер Уолш (Christopher A. Walsh), почетный профессор педиатрии и неврологии медицинского факультета Гарвардского университета, рассказал корреспонденту журнала Scientific American о важности проводимой им работы для понимания развития мозга человека и возникновения неврологических заболеваний (См. также статью «Перспективы» (Perspectives), написанную Уолшем для журнала Science совместно с Биунг-ил Баэ (Byoung-il Bae).

Scientific American: Вы можете сказать, каких инструментов не хватает для того, чтобы была возможность лучше понимать развитие мозга?

Кристофер Уолш: Чтобы понять, каким образом мозг решает чрезвычайно сложную задачу по созданию внутри себя электрической схемы, мы должны иметь возможность подвергнуть этот процесс строгому исследованию в лабораторных условиях. Нам необходимо иметь своего рода модель. Мы не может просто взять человека и поместить его под микроскоп, и поэтому мы должны найти способ моделирования мозга.

Мыши оказались потрясающе удобными для изучения процесса образования электрических схем в мозгу, а также формирования в нем клеток. Мыши особенно полезны при изучении воздействия на клетки определенных генов, однако по мере того, как мы становимся все более и более осведомленными относительно стоящих перед нами проблем, мы получаем все больше возможностей думать не о тех вещах, которые являются общими у нас и у мышей, а о том, что нас от них отличает.

Мы все больше пытаемся понять специфические для человека особенности, и именно в этой области модели стволовых клеток начинают обретать все большее значение, потому что это на самом деле человеческие клетки. И у нас есть такие возможности манипулировать ими, о которых мы раньше не могли и мечтать – теперь мы можем поместить их в чашку и позволить им формировать первоначальные элементы мозга, которые на самом деле обладают некоторыми примитивными свойствами человеческого организма.

─ Не могли бы вы более конкретно рассказать об этих работах?

─ В течение нескольких лет мы могли выращивать эмбриональные человеческие стволовые клетки в культурах. Стволовые клетки – это очень мощные клетки, потому что они способны формировать самые разные типы клеток, что позволяет нам изучать сложные виды клеток в культурах. За последние несколько лет исследовательские группы в Японии, а также в Австрии разработали методы, позволяющие стволовым клеткам получать сложные формы в культурах, которые выглядят, как частички тела. Группе Йошики Сасаи (Yoshiki Sasai) в Японии удалось получить эмбриональные стволовые клетки в культурах и превратить их в то, что выглядит, как глаз. А совсем недавно лаборатория Юргена Кноблиха (Juergen Knoblich) в Австрии добилась того, что стволовые клетки сформировали нечто, что сильно напоминает кору головного мозга человека, и некоторые специалисты называют полученный результат органоидом или мини-мозгом. Мы знаем, что многие ключи развития находятся в тех процессах, которые происходят в контексте структурных образований и в сложной окружающей среде, в которой развиваются стволовые клетки. И таким образом теперь мы видим, что стволовые клетки могут воспроизводиться – и не только как тип клетки, но и как структура и как окружающая среда, где клетки взаимодействуют друг с другом сложным образом и где сигналы, передаваемые от одной клетки к другой, могут оказывать влияние на развитие. Изучение подобных сложных структур в лабораторных условиях позволяет нам получить значительно более совершенную модель того, что происходит в человеческом мозге на ранних стадиях развития.

─ Какими вопросами вы сможете заняться, если эти технологии будут улучшены?

─ Один из важных вопросов, которым мы можем заняться с помощью новых средств, – это изучение механизмов болезней человека. Некоторые из них можно очень хорошо моделировать в мышах и таким образом получить мутацию у мыши, а затем изучить механизм функционирования болезни в человеческом мозгу. Однако похоже на то, что другие гены у человека и у мыши сильно отличаются друг от друга, и поэтому мы получаем лишь примитивное представление о том, что они делают в человеке, когда мы изучаем их поведение в мышах. Таким образом, человеческие стволовые клетки позволяют углубить наши знания, и есть возможность добавить к ним то, что получено в процессе работы с мышами, а также результаты прямого изучения человеческих клеток.

─ Есть ли возможность улучшить работу этих систем?

─ Потрясающее впечатление произвела способность стволовых клеток формировать такие эмбриональные структуры, как сетчатка и мозг. Это все равно что наблюдать за собакой, танцующей на задних лапах – вы в восторге от того, что она может это делать. Но для того, чтобы мини-мозг стал на самом деле точным научным инструментом, мы должны будем придумать способы надежного и воспроизводимого выращивания подобных структур, мы должны уметь делать это многократно для того, чтобы понять, что происходит в тот момент, когда данный процесс прерывается.

В настоящее время нам удается сделать это лишь время от времени. И так происходит всегда в науке, когда делаются первые шаги. Однако я уверен в том, что технические усовершенствования мы увидим уже в самое ближайшее время.

─ Разрабатываются ли другие технологии?

─ Люди хотят узнать, сможем ли мы лучше понять работу мозга, если поместим человеческие клетки в мозг мыши и позволим им там развиваться. Это даст возможность небольшому количеству человеческих клеток развиться в крупный мозг мыши в относительно нормальной среде, где мы сможем увидеть, как они образуют из себя соответствующие структуры.

Другой способ состоит в том, чтобы дать возможность органоидам из стволовых клеток развиваться до такого момента, когда они на самом деле будут иметь прочные связи, которые мы сможем изучать с помощью технологий, позволяющих нам наблюдать за электрической активностью нейронов. Таких возможностей мы пока не имеем, но сегодня мы уже готовы приступить к работе по созданию сложных структур в пробирке.

В статьях, посвященных органоидам, приводятся данные о происходящей в них электрической активности, однако там нет результатов специально проведенных исследований детальной электрической активности. Из того, что на сегодняшний день было уже показано, можно сделать вывод о том, что это можно сделать.

─ Это волнующее событие?

─ Это нечто потрясающее. Такие расстройства, как умственная отсталость и аутизм, являются дисфункцией электрической активности, протекающей между нейронами. Однако мы считаем, что устройство нашего мозга довольно сильно отличается от мозга мыши. Поэтому было бы интересно понаблюдать за тем, что делают гены аутизма в реальном человеческом мозге. Такие когнитивные расстройства, как аутизм, умственная отсталость и шизофрения, являются весьма обширными областями, потому что мыслительные способности человека намного отличается от мыслительной способности мыши.

─ Существуют ли другие исследования, где подобные модели могут оказаться полезными?

─ Применение подобных способов может быть полезным при изучении функций тех генов, которые регулируют развитие человеческого мозга, но они функционируют иначе у мышей, поскольку у человека они находятся под эволюционным давлением. Можно взять один из примеров из статьи Кноблиха. Речь идет о гене CDK5RAP2, который регулирует деление клеток в мозгу, и поэтому он регулирует также размер мозга. Этот ген вызывает микроцифалию в том случае, если он подвергся мутации в человеческом организме, но продолжает регулировать поведение нейронных стволовых клеток человека.

Десять самых выдающихся изобретений столетней давности.

Десять самых выдающихся изобретений столетней давности с 1888 по 1913 год.

В 1913 году недавние открытия производили на публику несколько иное впечатление, чем на нас сегодняшних. Сто лет назад, в 1913 году, журнал Scientific American объявил конкурс эссе о десяти самых выдающихся изобретениях «нашего времени». Правила были такими: «нашим временем» следует считать период с 1888 по 1913 год (последнюю четверть века); изобретения должны быть запатентованы; датой изобретения считается дата «коммерческого внедрения». Восприятие науки и техники — вот чем интересен тот конкурс. Сегодня мы не обращаем внимания на то, что ежедневно пользуемся плодами трудов Николо Теслы и Томаса Эдисона, но поражаемся тем изменениям, которые принесли Интернет и Всемирная паутина. Первое место завоевала статья, написанная сотрудником Патентного бюро Уильямом Уайменом, который, как вы сейчас убедитесь, по долгу службы был прекрасно осведомлён о научно-техническом прогрессе своего времени. Вот его фавориты.

1. Электрическая печь (1889). Клерк писал: «Это единственный способ промышленного производства карбида кремния (самого твёрдого искусственного вещества)». Кроме того, электрический горн, по его словам, превратил алюминий из просто ценного в очень полезный металл (кстати, цена упала на 98%) и радикально изменил всю сталелитейную индустрию. 2. Паровая турбина. Изобретена Чарльзом Парсонсом в 1884 году, но её производство налажено только через десять лет, поэтому она и попала в этот список. Что и говорить, суда стали быстрее, упростилась выработка электричества. 3. Автомобиль на бензине. Многие инженеры XIX века приложили руку к созданию «самоходной телеги», но Уаймен отдал своё сердце двигателю Готтлиба Даймлера, который был изобретён в 1889 году. Патентовед писал так: «Настойчивые, но безуспешные попытки получить практичную самоходную машину доказали, что того, кому удастся ответить на запросы времени, ждёт немедленный успех. Этот успех пришёл с двигателем Даймлера, и не раньше». 4. Движущиеся картинки. Развлечение всегда было и будет играть важную роль в жизни человека. «Кинематограф преобразил забавы толпы». Пионером в этой области Уаймен, кстати, считал Томаса Эдисона. 5. Аэроплан. За «воплощение вековой мечты» автор эссе увенчал лаврами братьев Райт, но воздержался от суждения о практической ценности этого изобретения: военная польза очевидна, а вот с коммерческой точки зрения самолёт показался Уаймену наименее перспективным из всей десятки. 6. Беспроводной телеграф. Системы передачи информации на большие расстояния существовали за сотни и даже, может быть, тысячи лет до этого, но по своей скорости они, конечно, не могли сравниться с тем, что сотворили Сэмюэл Морзе и Альфред Вэйл, чью эстафету приняло радио. В области радиотелеграфии Уаймен отдаёт первенство Гульельмо Маркони. 7. Цианирование. Не надо морщиться, речь идёт о процессе получения золота из руды. «Золото — кровь торговли», — писал Уаймен. В 1913 году золото и впрямь считалось основой международной коммерции и национальных валют. 8. Индукционный двигатель Николо Теслы. «Это эпохальное изобретение несёт главную ответственность за нынешнее повсеместное и растущее использование электричества в промышленности». До того как электричество пришло в дома, генераторы переменного тока производили 90% электричества, использовавшегося предприятиями. 9. Липотип. Строкоотливная машина позволила издательствам (в основном газетным) набирать и печатать тексты намного быстрее и дешевле. Эту революцию можно сравнить с изобретением собственно печатного пресса. Мы почти перестали «бумагу», поэтому уже не помним об этом важнейшем событии в технической истории человечества. 10. Электрическая сварка Элиху Томсона. Одно из тех изобретений, которые подарили нам поточное производство. Заводы стали работать быстрее, появилась возможность выпуска более сложных устройств, в том числе для нужд самого производства. Подход читателя, занявшего второе место, был более философским. Кем работал Джордж Доу, неизвестно. Жил он в том же городе, что и Уаймен, — Вашингтоне. Может быть, тоже имел какое-то отношение к патентам? 1. Электрическая фиксация атмосферного азота. В XIX веке природные источники удобрений оскудели, но появились искусственные, и развитие сельского хозяйства продолжалось. 2. Консервация сахаросодержащих растений. Первооткрывателем метода сушки сахарного тростника и сахарной свёклы для последующей транспортировки считается Джордж Макмаллен из Чикаго. Сахарное производство стало более эффективным, и поставки сахара начали расти не по дням, а по часам, словно талия сладкоежки. Может быть, это одно из тех изобретений, без которых человечество смогло бы обойтись? Конечно, нет. Макмаллен не виноват в том, что кто-то не тренирует силу воли. 3. Быстрорежущие стали. «Инструменты, изготовленные путём добавления в сталь вольфрама, режут на такой скорости, что раскаляются докрасна, однако не теряют в твёрдости и не тупятся». Доу считал появление таких сплавов революцией. Действительно, почему нет? 4. Лампа с вольфрамовой нитью. Очередной успех бурно развивавшейся химии. После того как вольфрам заменил углерод, создание лампочки посчитали завершённым. Действительно, только сейчас мы переходим на флюоресцентные, которые в четыре раза эффективнее. 5. Самолёт. Доу добавляет в число лауреатов имя Сэмюэла Лэнгли. 6. Паровая турбина. Как и выше, турбина заслужила упоминание не только тем, что в ней «применяется пар в качестве основной движущей силы», но и за то, что она помогает вырабатывать электричество. 7. Двигатель внутреннего сгорания. Доу прославляет «Даймлера, Форда и Дурие». Про Даймлера мы уже сказали. Генри Форд в 1908 году наладил производство модели «Т», которая была очень популярна и в 1913-м. А Чарльз Дурие в 1896 году выпустил один из первых коммерчески успешных автомобилей на бензине. 8. Пневматическая шина. Железные дороги должны были уступить место автомобилю. «Что рельсы сделали для локомотива, то пневматическая шина сделала для автомобиля, освободив его от рельсов». Доу снимал шляпу перед Джоном Данлопом и Уильямом Бартлетом, каждый из которых внёс немаловажный вклад в появление современных автомобильных и велосипедных шин. 9. Беспроводная связь. Именно Маркони, по мнению Доу, сделал беспроволочный телеграф коммерчески выгодным. Доу отмечает также, что беспроводная связь создавалась прежде всего в коммерческих целях, но мимоходом повлияла и на социальные связи. Это справедливо и для Всемирной паутины. 10. Наборные машины. Исполинской ротационной печатной машине был по силам выпуск огромного количества материала, но набор клише сильно отставал. Линотип и монотипия решили эту проблему. Редакторы журнала не поленились посчитать, какие изобретения чаще всего упоминались в списках конкурсантов. Безоговорочным лидером оказался беспроволочный телеграф, который фигурировал в 97% эссе. За ним следовали аэроплан (75%), рентгеновский аппарат (74%), автомашина (66%) и кинематограф (63%). Остальные сильно отставали: железобетон и фонограф встречались в 37% писем, лампа накаливания — в 35% и т. д. Обратите внимание: казалось бы, именно возможность полёта должна была поразить воображение современников, но самолётов в небе было ещё очень мало, тогда как радиотелеграфия процветала... Подготовлено по материалам Scientific American. http://www.scientificamerican.com/article.cfm?id=inve..

Успехи биоинженерии. Биоинженерная печень из жировых клеток.

Ученые получили клетки печени из продуктов липосакции

Клетки жира. Иллюстрация с сайта foreverslim.hu

Ученые из Стэнфордского университета (США) разработали быстрый и эффективный метод получения клеток печени (гепатоцитов) из клеток человеческого жира. Стволовые клетки жировой ткани, изъятые  при липосакции, были превращены в гепатоцитоподобные клетки и успешно трансплантированы в организм мышей. Статья «Enabling Autologous Human Liver Regeneration With Differentiated Adipocyte Stem Cells» была опубликована 21 октября в журнале Cell Transplantation.

В отличие от большинства других органов, клетки печени обладают высокой способностью к регенерации, однако при острых отравлениях или повреждениях, связанных с хроническим алкоголизмом и вирусным гепатитом, орган может не справиться с нагрузкой.

По словам Гари Пельтза (Gary Peltz), одного из основных авторов работы, метод преобразования стволовых клеток жира в гепатоцитоподобные клетки, разработанный японскими учеными в 2006 году на основе химической стимуляции, требует месячный срок и более, и не производит достаточное количество материала для регенерации печени. А превращение соматических клеток в индуцированные плюрипотентные стволовые клетки (ИПСК) требует введения чужеродных и потенциально канцерогенных генов. В отличие от них, стволовые клетки жира необходимо лишь выделить из соответствующей ткани.

Весь процесс от начала до конца занимает всего восемь дней – достаточный срок для того, чтобы быстро восстановить ткани печени пациентов с острыми отравлениями, которые в противном случае умирают в течение нескольких недель при отсутствии донорской печени. Кроме того, так как новая ткань печени будет происходить из собственных клеток пациентов, не будет риска отторжения трансплантата, соответственно, и необходимости в иммунодепрессантах.

Ученые вырастили стволовые клетки жировой ткани в жидкой культуральной среде, где они образовали сфероиды, а затем ввели по 5 миллионов полученных индуцированных гепатоцитов (i-Heps) в печень иммунодефицитных мышей, предварительно разрушенную мощным токсином. Спустя четыре недели анализы крови животных показали, что в ней содержится существенное количество человеческого сывороточного альбумина, уровень которого вырос в три раза за следующие четыре недели.

Результаты анализов также показали, что новая печеночная ткань мышей успешно обезвреживает и удаляет из организма токсичные продукты обмена веществ. Гистология печени обнаружила, что пересаженные клетки интегрировались в орган, начали экспрессировать поверхностные маркеры зрелых гепатоцитов человека и образовывали структуры желчных протоков.

Исследователи отмечают, что через два месяца после введения индуцированных сферических гепатоцитов не было выявлено никаких признаков образования опухоли, тогда как у мышей, которым пересадили гепатоцитоподобные клетки, полученные из ИПСК, образовывались опухоли, прощупываемые сквозь тело животных спустя три недели после трансплантации.

«Это может оказаться достаточным, чтобы заменить пересадку донорской печени, - процитировал слова профессора Пельтза Medical Xpress. Ученые уже подали заявку на патент по использованию сферической культуры для получения индуцированных гепатоцитов и собираются провести тестирование данной технологии на крупных животных.

http://medportal.ru/mednovosti/news/2013/10/22/122liver/