211service.com
Weefsels die zichzelf vormen
Cellen bedekt met kleverige stukjes DNA kunnen zichzelf assembleren tot functionele driedimensionale microstructuren. Deze bottom-up benadering van tissue engineering, ontwikkeld door wetenschappers van het Lawrence Berkeley National Laboratory en de University of California, Berkeley, biedt een nieuwe oplossing voor een van de grootste problemen in het veld: het creëren van meercellige weefsels met gedefinieerde structuren. In tegenstelling tot top-down methoden, waarbij wetenschappers celstructuren bouwen op steigers, stelt de nieuwe techniek weefselingenieurs in staat om de precieze geometrische interacties van individuele cellen te dicteren.
Dubbel probleem: Twee clusters zijn samengevoegd om een groter, structureel complexer microweefsel te vormen. Door variabelen aan te passen en cellen in opeenvolgende iteraties toe te voegen, hopen de onderzoekers steeds geavanceerdere assemblages te genereren.
Onderzoekers begonnen met twee celtypen: een die een eiwit afscheidt, een groeifactor genaamd, die de andere nodig heeft om te groeien. co-auteur Zev Gartner , nu een farmaceutisch chemicus aan de Universiteit van Californië, San Francisco, versierde de cellen met stukjes enkelstrengs DNA, bevestigd met behulp van gespecialiseerde suikers die in het celmembraan waren ingebouwd. De twee celtypen droegen complementaire DNA-strengen, die als een soort klittenband fungeerden. Toen de verschillende cellen werden gecombineerd, voegden hun complementaire DNA-fragmenten zich samen tot dubbele strengen, waardoor de cellen met elkaar verbonden werden. Samen met hun eiwitproducerende partners bloeien de eiwitafhankelijke cellen op. Zonder de DNA-coating kunnen de twee celtypen niet communiceren en sterven de afhankelijke cellen.
Door de relatieve concentraties van de twee celtypen te variëren, konden de onderzoekers de cellen in bepaalde configuraties manoeuvreren. Wanneer de cellen bijvoorbeeld in een één-op-één-verhouding werden gecombineerd, vormden ze eenvoudig paren. Maar toen de groeifactorafhankelijke cellen hun tegenhangers enorm overtroffen, vormden ze karakteristieke driedimensionale clusters met een enkele groeifactor-afscheidende cel in het midden. De resultaten verschenen maandag in de vroege online editie van Proceedings van de National Academy of Sciences .
Deze benadering biedt een nieuwe manier om weefselcomplexiteit te recreëren, zegt: Ali Khademhosseini , een assistent-professor aan de Harvard-MIT's Division of Health Sciences and Technology en Harvard Medical School, die niet betrokken was bij het onderzoek. De meeste tissue-engineeringmethoden produceren driedimensionale structuren met behulp van steigermaterialen.
Toen de microstructuren eenmaal waren gevormd, gingen Gartner en zijn collega Caroline Bertozzi , directeur van de onderzoeksfaciliteit voor nanowetenschappen van Molecular Foundry in Berkeley Lab, ving ze op in een gel en beeldde ze in drie dimensies af met behulp van een fluorescentiemicroscoop. Omdat het DNA van het celoppervlak op de lange termijn niet stabiel is, is het nog niet duidelijk hoe lang de structuren het op zichzelf zullen houden. De onderzoekers onderzoeken momenteel of de gekoppelde cellen hun eigen natuurlijke adhesiemoleculen gaan genereren om ze vast te houden zodra de DNA-koppelingen zijn verdwenen.
Tot dusverre zijn deze microstructuren rudimentair - verre van de structurele verfijning van een heel orgaan. Maar door de verhouding van celtypen, de dichtheid van DNA op de celoppervlakken en de complexiteit van de DNA-sequenties aan te passen, hopen Gartner en Bertozzi grotere en ingewikkelder assemblages te bouwen. Door met deze variabelen te spelen, kunnen we het type structuur dat we maken vooringenomen, zegt Gartner.
Video
Cellulair klittenband: In een nieuwe benadering van bottom-up tissue engineering assembleren twee verschillende celtypen zichzelf spontaan in driedimensionale microstructuren zoals deze wanneer hun oppervlakken zijn bezaaid met kleverige enkele strengen DNA. Omdat het DNA op de rode cellen complementair is aan dat op de groene cellen, plakken ze van nature aan elkaar en houden ze de cellen dicht bij elkaar.
Krediet: Bertozzi Lab
Hoewel deze nieuwe methode niet de eerste is die weefselengineering van onderaf aanpakt, zegt Gartner dat het de enige is die in staat is om voldoende resolutie te krijgen om te bepalen hoe individuele cellen omgaan met hun buren. En zelfs als deze techniek niet goed blijkt op te schalen, zegt hij, kan het in principe structurele bouwstenen opleveren voor gebruik in andere opkomende bottom-up benaderingen, zoals laag-voor-laag weefselprinten of lasermanipulatie.
Khademhosseini zegt dat het te vroeg is om te zeggen of de nieuwe techniek uiteindelijk weefsels zal produceren die geschikt zijn voor gebruik in de regeneratieve geneeskunde. Het heeft veel potentieel en het kan in de toekomst therapieën bieden, maar er moeten andere uitdagingen worden overwonnen om een klinisch levensvatbaar product te maken, zegt hij. Het valt bijvoorbeeld nog te bezien waar de cellen vandaan komen om het weefsel te laten groeien, en hoe het lichaam nieuwe bloedvaten zou genereren om het getransplanteerde weefsel te voeden.
Dan Dimitrijevich , directeur van de Human Tissue and Cell Engineering Laboratories van het Health Science Center van de Universiteit van Noord-Texas, is sceptischer. Hij betwijfelt of de nieuwe aanpak in staat zal zijn om stabiele, veilige en functionele weefsels te genereren die standhouden wanneer ze worden getransplanteerd in een echt levend organisme. Het is interessante wetenschap, zegt hij, maar voor zover het weefseltechnologie betreft, is het erg vermoeiend.
Zelfs als het niet werkt in termen van regeneratieve geneeskunde, gelooft Gartner dat de techniek nog steeds nuttig kan zijn als een hulpmiddel om te bestuderen hoe verschillende celtypen communiceren, bijvoorbeeld bij het genereren van een tumor. Dit geeft ons nu een nieuw hulpmiddel om deze structuren uit een menselijke gastheer te halen - waar ze natuurlijk erg moeilijk te bestuderen zijn om een aantal technische en ethische redenen - en ze in een fles te doen waar we ze gedurende lange tijd in detail kunnen bestuderen periodes, zegt hij.