Прорывы в биоинженерии: от биоматериалов до выращивания органов и сосудов

За последние месяцы ученые из США и Китая представили три значимых достижения в области регенеративной медицины и биоинженерии: новый биоматериал, имитирующий живые ткани, лабораторная модель человеческого эмбриона, запускающая гаструляцию, и метод контролируемого выращивания кровеносных сосудов на чипе. Эти разработки сближают медицину с возможностью создания полноценных органов для трансплантации.

Биоматериал JIBEs: искусственные ткани из водяных капель

Инженеры Техасского университета в Остине разработали необычный биоматериал, который по своим свойствам напоминает живые ткани. Структура состоит из плотной сети микроскопических водяных капель, разделённых тонкими мембранами. Учёные назвали такие структуры JIBEs (Jammed Interconnected Bilayer Emulsions) — «зажатые взаимосвязанные двухслойные эмульсии». Для их создания используются обычные масла и лабораторная центрифуга.

Главная особенность новой технологии — решение проблемы масштабирования. Миллиарды капель удаётся быстро объединять в крупные объекты, сохраняющие способность избирательно пропускать одни вещества и задерживать другие — так же, как это делают клетки человеческих органов. Авторы исследования считают, что материал можно использовать для выращивания тканей и органов, создания мягких роботов, нейроморфных вычислительных систем и очистки промышленных стоков. Работа опубликована на портале interestingengineering.com.

Китайский прорыв: модели эмбрионов, проходящие гаструляцию

Китайские исследователи впервые создали лабораторную модель человеческого эмбриона, способную запускать гаструляцию — процесс формирования зачатков всех органов, который в естественном развитии происходит с 14-го по 21-й день после оплодотворения. Международные нормы запрещают культивировать целые человеческие эмбрионы дольше 14 дней, поэтому гаструляцию долгое время называли «чёрным ящиком» эмбриологии.

Прежние модели могли воспроизводить лишь отдельные типы клеток, но не формировали первичную полоску — структуру, запускающую гаструляцию. Чтобы решить эту проблему, ученые использовали биоинженерный подход и высокоточные карты распределения клеток и сигналов в раннем эмбрионе. На их основе было создано устройство, позволяющее размещать клетки в строго заданных позициях.

Полученные модели, названные «дисковыми гаструлоидами», смогли запустить процесс гаструляции и сформировать структуры, аналогичные первичной полоске. В ходе экспериментов более 80% моделей воспроизвели основные процессы эмбриогенеза. За семь дней у них сформировались нервная трубка, зачатки кишечника с предшественниками лёгких, печени и поджелудочной железы, а также сердечная структура, способная к ритмическим сокращениям. Анализ показал, что клеточный состав близок к эмбриону возрастом около 21 дня. Поскольку исследователи работают с органоидами, а не с полноценными организмами, этические ограничения здесь гораздо мягче. Технология может позволить массово выращивать клетки-предшественники органов в лаборатории, а в будущем — создавать ткани и органы для пересадки.

MIT: механическое управление ростом капилляров

Инженеры Массачусетского технологического института создали «кровеносный сосуд на чипе», который прорастает капиллярами под действием механического растяжения. Секрет управления заключается в изменении направления и амплитуды колебаний — от 5% до 15% ширины геля. Таким образом исследователи программируют путь, количество и длину новых сосудов.

Выяснилось, что за этот процесс отвечает ген PIEZO1 — без него сосуды перестают расти даже при тряске. Открытие открывает путь к созданию полноценных искусственных органов для трансплантации, так как главная сложность при выращивании полноценного органа — обеспечить его собственной системой питания.

Перспективы регенеративной медицины

Три представленных прорыва закрывают ключевые пробелы на пути к биофабрикации органов: материал JIBEs обеспечивает матрицу с нужными транспортными свойствами, китайские гаструлоиды демонстрируют возможность получения правильно организованных клеток-предшественников, а технология MIT решает задачу сосудизации. В совокупности эти разработки приближают медицину к моменту, когда дефицит донорских органов можно будет компенсировать лабораторно выращенными альтернативами, полностью совместимыми с иммунной системой пациента.