'n bietjie druk van 'n nuwe krimpende, sponsagtige jel is al wat nodig is om oorgeplante ongespesialiseerde selle te verander in selle wat minerale neerlê en tande begin vorm.
Die bio-geïnspireerde jelmateriaal kan eendag help om beskadigde organe, soos tande en been, en moontlik ook ander organe te herstel of te vervang, wetenskaplikes van die Wyss Institute for Biologically Inspired Engineering by Harvard University, Harvard School of Engineering en Toegepaste Wetenskappe (SEAS), en Boston Kinderhospitaal rapporteer onlangs in Advanced Materials.
"Weefselingenieurs het lank reeds die idee geopper om sintetiese materiale te gebruik om die induktiewe krag van die embrio na te boots," het Don Ingber, M. D., Ph. D., Stigtersdirekteur van die Wyss-instituut, Judah Folkman-professor in vaskulêr gesê. Biologie aan die Harvard Mediese Skool, professor in bio-ingenieurswese by SEAS, en senior skrywer van die studie. "Ons is opgewonde oor hierdie werk, want dit wys dat dit werklik moontlik is."
Embrioniese weefsels het die krag om selle en weefsels te dryf om te spesialiseer en organe te vorm. Om dit te doen, gebruik hulle biomolekules wat groeifaktore genoem word om groei te stimuleer; geen-aktiverende chemikalieë wat veroorsaak dat die selle spesialiseer, en meganiese kragte wat selreaksies op hierdie ander faktore moduleer.
Maar tot dusver het weefselingenieurs wat organe in die laboratorium wil bou, slegs twee van die drie strategieë gebruik – groeifaktore en geenaktiverende chemikalieë. Miskien as gevolg daarvan het hulle nog nie daarin geslaag om komplekse driedimensionele weefsels te produseer nie.
'n Paar jaar gelede het Ingber en Tadanori Mammoto, M. D., Ph. D., Instrukteur in Chirurgie by Boston Kinderhospitaal en Harvard Mediese Skool, 'n proses genaamd mesenchimale kondensasie ondersoek wat embrio's gebruik om 'n verskeidenheid organe te begin vorm, insluitend tande, kraakbeen, been, spiere, sening en nier.
In mesenchimale kondensasie ruil twee aangrensende weefsellae - losgepakte bindweefselselle genaamd mesenchiem en velagtige weefsel genaamd 'n epiteel wat dit bedek - biochemiese seine uit. Hierdie uitruiling veroorsaak dat die mesenchimale selle hulself styf in 'n klein knoop direk onder vasdruk waar die nuwe orgaan sal vorm.
Deur weefsels te ondersoek wat uit die kake van embrioniese muise geïsoleer is, het Mammoto en Ingber getoon dat wanneer die saamgeperste mesenchimale selle gene aanskakel wat hulle stimuleer om heel tande te genereer wat uit gemineraliseerde weefsel bestaan, insluitend dentien en emalje.
Geïnspireer deur hierdie embrioniese induksiemeganisme, het Ingber en Basma Hashmi, 'n Ph. D. kandidaat by SEAS wat die hoofskrywer van die huidige referaat is, het daarop gemik om 'n manier te ontwikkel om kunsmatige tande te ontwerp deur 'n weefselvriendelike materiaal te skep wat dieselfde doelwit bereik. Spesifiek, hulle wou 'n poreuse sponsagtige jel hê wat met mesenchimale selle geïmpregneer kon word, wat dan, wanneer dit in die liggaam ingeplant is, geïnduseer word om in 3D te krimp om die selle daarin fisies te kompakteer.
Om so 'n materiaal te ontwikkel, het Ingber en Hashmi saamgespan met navorsers onder leiding van Joanna Aizenberg, Ph. D., 'n Wyss Institute Core Fakulteitslid wat die Instituut se Adaptive Materials Technologies-platform lei. Aizenberg is die Amy Smith Berylson-professor in materiaalwetenskap by SEAS en professor in chemie en chemiese biologie aan die Harvard-universiteit.
Hulle het 'n spesiale jelvormende polimeer genaamd PNIPAAm chemies gemodifiseer wat wetenskaplikes gebruik het om dwelms aan die liggaam se weefsels af te lewer. PNIPAAm-gels het 'n ongewone eienskap: hulle trek skielik saam wanneer hulle warm word.
Maar hulle doen dit teen 'n lou temperatuur, terwyl die navorsers wou hê dat hulle spesifiek teen 37°C – liggaamstemperatuur – moes krimp sodat hulle hul inhoud sou uitdruk sodra dit in die liggaam ingespuit is. Hashmi het vir meer as 'n jaar saam met Lauren Zarzar, Ph. D., 'n voormalige SEAS-gegradueerde student wat nou 'n nadoktorale medewerker by Massachusetts Institute of Technology is, gewerk, PNIPAAm gewysig en die gevolglike materiaal getoets. Uiteindelik het hulle 'n polimeer ontwikkel wat 'n weefselvriendelike jel met twee sleutel-eienskappe vorm: selle hou daaraan vas, en dit druk skielik saam wanneer dit tot liggaamstemperatuur verhit word.
As 'n aanvanklike toets het Hashmi mesenchimale selle in die jel ingeplant en dit in die laboratorium verhit. Seker genoeg, toe die temperatuur 37°C bereik het, het die jel binne 15 minute gekrimp, wat veroorsaak het dat die selle binne-in die jel na bo afrond, krimp en styf saampak.
"Die rede waarom dit cool is, is dat die selle lewendig is," het Hashmi gesê. "Gewoonlik wanneer dit gebeur, is selle dood of sterf."
Nie net was hulle lewendig nie - hulle het drie gene geaktiveer wat tandvorming aandryf.
Om te sien of die krimpende jel ook sy towerkrag in die liggaam gewerk het, het Hashmi saam met Mammoto gewerk om mesenchimale selle in die jel te laai, en dan die jel onder die muisnierkapsule in te plant - 'n weefsel wat goed van bloed en word dikwels vir oorplantingseksperimente gebruik.
Die ingeplante selle het nie net tandontwikkelingsgene uitgedruk nie - hulle het kalsium en minerale neergelê, net soos mesenchimale selle in die liggaam doen terwyl hulle tande begin vorm.
"Hulle was in vol-gas tand-ontwikkeling-modus," het Hashmi gesê.
In die embrio kan mesenchimale selle nie alleen tande bou nie – hulle moet gekombineer word met selle wat die epiteel vorm. In die toekoms beplan die wetenskaplikes om te toets of die krimpende jel albei weefsels kan stimuleer om 'n hele funksionele tand te genereer.
