Инженеры перепрограммируют клеточную биологию для создания 3D-форм из живой ткани
Многие сложные складчатые формы, формирующие ткани млекопитающих, можно воссоздать с помощью очень простых инструкций. Биоинженеры из Калифорнийского университета в Сан-Франциско (UCSF) показали, что, создавая узоры из механически активных клеток мыши или человека на тонких слоях волокон внеклеточного матрикса, можно получать чаши, спирали и складки из живой ткани. Клетки механически взаимодействовали через сеть этих волокон, сворачиваясь предсказуемым образом и имитируя естественные процессы развития.
«Развитие начинает становиться полем для инженерии. Разбивая сложность развития на более простые инженерные принципы, учёные начинают лучше понимать и в конечном итоге контролировать фундаментальную биологию», — говорит старший автор Зев Гартнер из Центра клеточного конструирования UCSF. — В данном случае внутренняя способность механически активных клеток вызывать изменения формы ткани — это фантастическая основа для создания сложных и функциональных синтетических тканей».
В лабораториях уже используют 3D-печать или микролитьё для создания 3D-форм в тканевой инженерии, но конечный продукт часто лишён ключевых структурных особенностей тканей, растущих по программам развития. Подход лаборатории Гартнера использует технологию прецизионного 3D-паттернинга клеток, называемую ДНК-программируемой сборкой клеток (DPAC). Она задаёт начальный пространственный шаблон ткани, которая затем самостоятельно складывается в сложные формы, повторяя иерархическую самоорганизацию тканей в процессе развития.
«Мы начинаем видеть, что можно разложить естественные процессы развития на инженерные принципы, которые затем мы можем использовать для создания и понимания тканей. Это совершенно новый угол зрения в тканевой инженерии», — говорит первый автор Алекс Хьюз, постдокторант UCSF.
«Меня поразило, насколько хорошо эта идея сработала и насколько просто ведут себя клетки», — отмечает Гартнер. — Эта работа показала, что, когда мы раскрываем надёжные принципы проектирования развития, возможности их инженерного применения ограничены только нашим воображением. Алексу удалось создать живые конструкции, трансформирующиеся способами, очень близкими к предсказаниям наших простых моделей».
Теперь команда Гартнера хочет выяснить, можно ли объединить программу развития, контролирующую складывание ткани, с другими, управляющими её паттернированием. Они также надеются начать понимать, как клетки дифференцируются в ответ на механические изменения, происходящие при складывании ткани in vivo, черпая вдохновение в конкретных стадиях развития эмбриона.