В природе существует более одного способа построить лёгкое

Наши тела содержат скрытые "деревья" — сложные разветвлённые структуры, жизненно важные для функций таких органов, как лёгкие, почки и поджелудочная железа.

Селеста Нельсон исследует, как возникают эти разветвлённые паттерны в процессе развития. Её работа объединяет биологию с инженерией и компьютерным моделированием, а конечная цель — создание функциональных тканей вне организма.

"Эти разветвлённые архитектуры повсеместны, — говорит Нельсон, профессор химической и биологической инженерии. — В лёгком они важны для обеспечения достаточной площади поверхности, чтобы переносить кислород из вдыхаемого воздуха в кровоток". В таких органах, как молочная или слюнная железа, "это своего рода миссия по заполнению пространства: произвести достаточно молока, достаточно слюны".

Большая часть работы Нельсон сосредоточена на силах, которые заставляют скопление клеток в эмбрионе превратиться в древовидную структуру дыхательных путей новорождённого. Чтобы понять, как разные физические процессы могут приводить к схожим результатам, её группа изучала развитие лёгких не только у мышей (модель для человека), но и у птиц и рептилий.

Лаборатория Нельсон потратила годы на изучение деталей развития лёгких мыши. Было обнаружено, что физические сигналы от гладкомышечных клеток направляют клетки, выстилающие развивающиеся дыхательные пути, к разделению на две ветви. Этот процесс повторяется миллионы раз, формируя каждое функционирующее лёгкое новорождённого. Более поздняя работа аспирантки Кэти Гудвин показала, что гладкомышечные клетки также формируют рост самых ранних ветвей дыхательных путей, которые образуются, когда почка начинает расти сбоку от основной ветви (в отличие от разделения конца ветви надвое).

Лёгкие рептилий, в отличие от этого, представляют собой более простые мешки без сложных разветвлений. У развивающихся эмбрионов гладкомышечные клетки образуют гексагональную сеть, которая обволакивает растущее лёгкое, сокращается и сжимает эпителиальные клетки, формируя складки зрелого органа.

В коллаборации с Андреем Космерлем, доцентом кафедры машиностроения и аэрокосмической техники, и Джаредом Тетчером, доцентом кафедры молекулярной биологии, Нельсон получила поддержку от Фонда Эрика и Венди Шмидт по трансформационным технологиям Принстона для разработки технологии 3D-печати искусственных органов на основе знаний о развитии лёгких рептилий.

"Можем ли мы использовать то, что узнали, выйдя за рамки обычных модельных систем — изучая, как различные виды строят свои лёгкие, — чтобы предложить новые способы создания трёхмерных структур вне организма? — задаётся вопросом Нельсон. — Мы посмотрим, как далеко мы сможем продвинуться с этой идеей о том, что одна сократительная ткань, например мышца, давит на другую, заставляя её менять форму".