Reverse Engineered Jellyfish Mai führen zu Herz-Fixing-Technologie

Wissenschaftler haben Silikon- und Muskelzellen zu einer frei schwimmenden künstlichen "Qualle" geformt, um schließlich für Patienten mit geschädigten Herzen neues Gewebe zu produzieren, Forscher vom California Institute of Technology (Caltech) und der Harvard University berichtet in Natur Biotechnologie. Das Team verwendete eine Kombination aus Silikon- und Rattenherzzellen für ihre im Labor hergestellten Quallen - sie nannten Medusoid -, die dann frei durch Wasser schwammen.
Die Autoren erwarten, dass ihre Technologie letztendlich dazu führen wird, dass Zellen aus einem Organismus geerntet werden, indem sie so umorganisiert werden, dass sie für den menschlichen Gebrauch biotechnologisch hergestellt werden können, z. B. um einen Herzschrittmacher ohne Batterie herzustellen.
Janna Nawroth, eine Doktorandin in Biologie am Caltech und Hauptautorin der Studie, sagte:

"Ein großes Ziel unserer Studie war es, das Tissue Engineering voranzutreiben. In vielerlei Hinsicht ist es immer noch eine sehr qualitative Kunst, bei der versucht wird, ein Gewebe oder Organ einfach nach dem zu kopieren, was sie für wichtig oder wichtig halten - ohne notwendigerweise zu verstehen, ob diese Komponenten für die gewünschte Funktion relevant sind oder ohne zuerst zu analysieren, wie unterschiedliche Materialien verwendet werden können. "

Da eine bestimmte Funktion, wie z. B. Schwimmen, nicht automatisch aus dem Kopieren aller Elemente eines schwimmenden Organismus in ein Design entsteht, war ihre Idee, Quallenfunktionen - Schwimmen im Wasser und Füttern von Strömungen - als ihr Ziel zu machen, und Erstellen Sie dann basierend auf diesen Daten eine Struktur.
Es wird angenommen, dass Quallen in den letzten 500 Millionen Jahren existieren; Sie sind wahrscheinlich die ältesten Tiere mit mehreren Organen auf der Erde. Quallen sind gute Tiere zu erforschen, wenn sie versuchen, Wege zur Behebung von Herzproblemen zu finden, schrieben die Autoren. Auf einer sehr grundlegenden Ebene ist ihre Funktion ähnlich der eines menschlichen Herzens, indem sie einen Muskel benutzen, um ihren Weg durch Wasser zu pumpen.
Co-Autor, Kevin Kit Parker, Tarr Familienprofessor für Bioingenieurwesen und angewandte Physik in Harvard, sagte:

"Mir ist 2007 aufgefallen, dass wir die grundlegenden Gesetze der Muskelpumpen vielleicht nicht verstanden haben. Ich habe angefangen, Meeresorganismen zu betrachten, die zum Überleben pumpen. Dann habe ich im New England Aquarium eine Qualle gesehen und sofort Ähnlichkeiten und Ähnlichkeiten festgestellt Unterschiede zwischen der Art, wie die Qualle pumpt, und dem menschlichen Herzen. Die Ähnlichkeiten zeigen, was Sie tun müssen, um eine bio-inspirierte Pumpe zu entwickeln. "

Parker nahm Kontakt mit dem Luftfahrttechniker und Bioingenieur John Dabiri von Caltech auf und schloss eine Partnerschaft. Die beiden Gruppen arbeiteten über mehrere Jahre eng zusammen und versuchten, die Feinheiten des Antriebs von Quallen besser zu verstehen, einschließlich der Anordnung ihrer Muskeln, der Kontraktion und des Rückstoßes ihrer Körper und des Einflusses der Flüssigkeitsdynamik auf ihre Bewegungen. Sie machten sich dann daran, eine künstliche Qualle zu entwerfen.
Nawroth und sein Team experimentierten mit verschiedenen Materialien, um den Körper der Qualle zu formen, und entschieden sich schließlich für ein elastisches Material, das dem "Gelee" aus echtem Quallenfleisch sehr ähnlich ist.
Das Harvard-Team formte mit Hilfe von Nawroth das Silikonpolymer, das den Medusenkörper bildet, in eine dünne Membran, die einer kleinen Qualle ähnlich ist, mit acht fühlerartigen Armen. Dann druckten sie ein Muster aus einem Protein auf die Membran, das wie die Muskelstruktur des echten Tieres war. Die Autoren erklärten, dass "das Proteinmuster als eine Straßenkarte für das Wachstum und die Organisation von dissoziiertem Rattengewebe - einzelne Herzmuskelzellen, die die Fähigkeit zur Kontraktion beibehalten - in einen kohärenten Schwimmmuskel führt".
Das Medusoid wurde dann in einen elektrisch leitenden Behälter mit Flüssigkeit gestellt und oszillierte die Spannung von null auf fünf Volt, was die neue Kreatur dazu brachte, mit Kontraktionen zu schwimmen, genau wie eine Qualle. Schon vor dem Anlegen des elektrischen Stroms hatten sich die Muskelzellen schon ein wenig zusammengezogen.
Dabiri sagte, das Team sei überrascht, dass sie solch komplexe Schwimm- und Fütterungsverhalten reproduzieren könnten, die biologischen Quallen mit relativ wenigen Komponenten - einer Silikonbasis und neu angeordneten Rattenzellen - sehr ähnlich sind. Die fluiddynamischen Messungen waren praktisch identisch mit denen natürlicher Quallen.
Dabiri schrieb:

"Ich bin angenehm überrascht, wie nah es uns ist, die natürliche biologische Leistung zu erreichen, aber wir sehen auch Möglichkeiten, wie wir diese natürliche Leistung verbessern können. Der Evolutionsprozess hat viele gute Lösungen verpasst."

Sie müssen sich auf die Funktion konzentrieren

Ihr Durchbruch zeigt, dass Sie nicht gerecht werden können nachahmen Natur, du musst dich auf die Funktion konzentrieren. Ihre Designstrategie könnte im Allgemeinen auf das Reverse Engineering von Muskelorganen im menschlichen Körper angewendet werden, erklärten die Wissenschaftler.
Parker sagte:

"Als Ingenieure sind wir sehr zufrieden damit, Dinge aus Stahl, Kupfer und Beton zu bauen. Ich denke an Zellen als eine andere Art von Bausubstraten, aber wir brauchen rigorose quantitative Design-Spezifikationen, um Tissue Engineering von Kunst und Handwerk zu einem reproduzierbaren Typ zu machen Die Qualle stellt einen Designalgorithmus für das Reverse Engineering der Funktion eines Organs und die Entwicklung quantitativer Design- und Leistungsspezifikationen dar. Wir können die gesamte Entwicklung des Konstruktionsprozesses des Ingenieurs durchführen: Design, Build und Test. "

Die Wissenschaftler planen nun, ein völlig in sich geschlossenes System zu entwickeln, das wie ein menschliches Herz eigenständig mit internen Signalen reagieren kann.
Dabiri und Nawroth sagen, Medusoid sollte schließlich in der Lage sein, selbstständig Nahrung zu suchen und zu sammeln.Die Wissenschaftler könnten dann Systeme schaffen, die jahrelang ohne Batterien im menschlichen Körper existieren könnten, weil sie die Fähigkeit hätten, für sich selbst zu sorgen. Diese Systeme könnten beispielsweise die Basis für einen Schrittmacher sein, der rein aus biologischen Elementen besteht.
Dabiri sagte:

"Wir überdenken, wie viel wir in Bezug auf synthetische Biologie tun können. Heutzutage wird viel Arbeit für die Entwicklung von Molekülen getan, aber es gibt viel weniger Aufwand, um Organismen zu entwickeln. Ich denke, dies ist ein guter Einblick in die Zukunft von Re - die Entwicklung ganzer Organismen für die Weiterentwicklung der biomedizinischen Technologie. Wir sind möglicherweise auch in der Lage, Anwendungen zu entwickeln, bei denen diese biologischen Systeme uns die Möglichkeit geben, mit weniger Energieverbrauch effizienter zu arbeiten. "

Geschrieben von Christian Nordqvist