Malo pritiska novog gela koji se skuplja, spužvastog je sve što je potrebno da se transplantirane nespecijalizirane ćelije pretvore u ćelije koje odlažu minerale i počinju formirati zube.
Bioinspirirani gel materijal mogao bi jednog dana pomoći u popravci ili zamjeni oštećenih organa, kao što su zubi i kosti, a možda i drugih organa, smatraju naučnici sa Wyss Instituta za biološki inspirisano inženjerstvo na Univerzitetu Harvard, Harvard School of Engineering i Primijenjene nauke (SEAS) i Bostonska dječja bolnica izvještavaju nedavno u Advanced Materials.
"Tkivni inženjeri su dugo pokrenuli ideju upotrebe sintetičkih materijala za oponašanje induktivne moći embriona," rekao je Don Ingber, dr, dr., osnivač Wyss instituta, Judah Folkman, profesor vaskularnih bolesti Biologije na Harvard Medical School, profesor bioinženjeringa na SEAS-u i viši autor studije. "Uzbuđeni smo zbog ovog posla jer pokazuje da je to zaista moguće."
Embrionalna tkiva imaju moć pokretanja ćelija i tkiva da se specijalizuju i formiraju organe. Da bi to učinili, koriste biomolekule zvane faktori rasta da stimulišu rast; hemikalije koje aktiviraju gene koje uzrokuju specijalizaciju ćelija i mehaničke sile koje moduliraju ćelijske odgovore na ove druge faktore.
Ali do sada su inženjeri tkiva koji žele da izgrade organe u laboratoriji koristili samo dve od tri strategije - faktore rasta i hemikalije koje aktiviraju gene. Možda kao rezultat toga još uvijek nisu uspjeli proizvesti složena trodimenzionalna tkiva.
Prije nekoliko godina, Ingber i Tadanori Mammoto, MD, Ph. D., instruktor hirurgije u Bostonskoj dječjoj bolnici i Harvard Medical School, istražili su proces koji se naziva mezenhimska kondenzacija koji embriji koriste da započnu formiranje različitih organa, uključujući zube, hrskavicu, kost, mišiće, tetivu i bubrege.
U mezenhimskoj kondenzaciji, dva susjedna sloja tkiva - labavo zbijene ćelije vezivnog tkiva koje se nazivaju mezenhim i tkivo nalik na listove zvano epitel koji ga prekriva - razmjenjuju biohemijske signale. Ova razmjena uzrokuje da se mezenhimske ćelije čvrsto stisnu u mali čvor direktno ispod mjesta gdje će se formirati novi organ.
Ispitivanjem tkiva izolovanih iz čeljusti embrionalnih miševa, Mammoto i Ingber su pokazali da kada komprimovane mezenhimske ćelije uključe gene koji ih stimulišu da generišu cele zube sastavljene od mineralizovanih tkiva, uključujući dentin i gleđ..
Inspirisani ovim mehanizmom embrionalne indukcije, Ingber i Basma Hashmi, dr. Kandidat za D. u SEAS-u, koji je vodeći autor trenutnog rada, odlučio je da razvije način za projektovanje veštačkih zuba stvaranjem materijala pogodnog za tkivo koji postiže isti cilj. Konkretno, željeli su porozni gel nalik spužvi koji bi mogao biti impregniran mezenhimskim ćelijama, a zatim, kada se implantira u tijelo, induciran da se skupi u 3D kako bi fizički kompaktirao ćelije unutar njega..
Da bi razvili takav materijal, Ingber i Hashmi su se udružili sa istraživačima predvođenim Joannom Aizenberg, dr., članom osnovnog fakulteta Wyss instituta koji vodi Institutovu platformu za tehnologije adaptivnih materijala. Aizenberg je Amy Smith Berylson profesor nauke o materijalima na SEAS-u i profesor hemije i hemijske biologije na Univerzitetu Harvard.
Oni su hemijski modifikovali specijalni polimer za formiranje gela nazvan PNIPAAm koji su naučnici koristili za isporuku lekova u tkiva tela. PNIPAAm gelovi imaju neobično svojstvo: naglo se skupljaju kada se zagreju.
Ali oni to rade na mlakoj temperaturi, dok su istraživači željeli da se smanje posebno na 37°C - tjelesnoj temperaturi - kako bi istisnuli svoj sadržaj čim budu ubrizgani u tijelo. Hashmi je više od godinu dana radio s Lauren Zarzar, bivšom postdoktorskom studenticom SEAS-a, koja je sada postdoktorski saradnik na Massachusetts Institute of Technology, modificirajući PNIPAAm i testirajući rezultirajuće materijale. Konačno, razvili su polimer koji formira gel pogodan za tkivo sa dva ključna svojstva: ćelije se lijepe za njega i naglo se komprimiraju kada se zagrije na tjelesnu temperaturu.
Kao početni test, Hashmi je implantirao mezenhimske ćelije u gel i zagrijao ga u laboratoriji. Naravno, kada je temperatura dostigla 37°C, gel se smanjio u roku od 15 minuta, uzrokujući da se ćelije unutar gela zaokruže, skupe i čvrsto spakuju.
"Razlog koji je kul je taj što su ćelije žive", rekao je Hashmi. "Obično kada se to dogodi, ćelije su mrtve ili umiru."
Ne samo da su bili živi - aktivirali su tri gena koji pokreću formiranje zuba.
Da bi vidio da li je gel koji se skupljao također radio svoju magiju u tijelu, Hashmi je radio sa Mammotom na učitavanju mezenhimalnih ćelija u gel, a zatim implantirao gel ispod kapsule mišjeg bubrega - tkiva koje je dobro opskrbljeno krvlju i često se koristi za eksperimente s transplantacijom.
Ugrađene ćelije ne samo da su eksprimirale gene za razvoj zuba - one su polagale kalcijum i minerale, baš kao što to čine mezenhimske ćelije u tijelu kada počinju formirati zube.
"Bili su u modu razvoja zuba punog gasa", rekao je Hashmi.
U embrionu, mezenhimske ćelije ne mogu same da grade zube - potrebno ih je kombinovati sa ćelijama koje formiraju epitel. U budućnosti, naučnici planiraju da testiraju da li gel koji se skuplja može stimulisati oba tkiva da generišu ceo funkcionalni zub.
