Биоинженеры впервые создали уникальную искусственную ткань, точно воспроизводящую строение мозга, однако полностью лишённую живых клеток. Данное инновационное открытие позволит существенно продвинуться вперёд в исследовании нервных механизмов, тестировании лекарственных препаратов и создании новых методов лечения болезней нервной системы. Несмотря на кажущуюся невероятность, технология уже успешно функционирует.
В этой статье я расскажу вам о том, как именно создавался искусственный мозг, а также о применении этой технологии и ее преимуществах. Интересно? Ну что ж, тогда начнем!
Синтетическая среда поддерживает развитие нейронов
Группа исследователей-биоинженеров из Калифорнийского университета в городе Риверсайд представила миру принципиально новую разработку — платформу BIPORES. Эта уникальная система представляет собой первую в своём роде искусственную ткань, предназначенную специально для поддержки роста и развития нейронов. Важно отметить, что в отличие от предыдущих технологий, использовавших белковые структуры или натуральные компоненты животного происхождения, новая платформа основана целиком на синтетическом материале — полиэтиленгликоле (ПЭГ).
Основное преимущество выбора именно этого полимера заключается в его химической инертности и способности эффективно предотвращать прикрепление клеток, подобно известному эффекту антипригарного покрытия из тефлона. Благодаря этому становится возможным создание идеальной контролированной среды, позволяющей учёным проводить исследования с большей точностью и эффективностью. Таким образом, появление BIPORES открывает перед научным сообществом широкие перспективы для дальнейших открытий в области биологии и медицины.
Чтобы решить проблему закрепления клеток на гладкой поверхности, исследователи предложили революционный метод, основанный на применении специальных биогелей, обладающих уникальной седловидной структурой внутри своей матрицы. Для повышения устойчивости и долговечности каркас дополнительно укреплён микроскопическими частицами диоксида кремния, придающими конструкции дополнительную жёсткость и устойчивость.
Полученная таким образом трёхмерная сетчатая структура отличается наличием множества пор, равномерно распределённых по всему объёму материала. Эти поры обеспечивают свободное перемещение клеток, беспрепятственное поступление питательных веществ и эффективный вывод продуктов метаболизма, создавая оптимальные условия для жизнеспособности и активного функционирования клеток. Данный подход позволяет значительно расширить возможности научных исследований и медицинских разработок, открывая путь к созданию инновационных терапевтических решений.
Создание искусственного мозга
Создание основы новой технологии осуществлялось благодаря уникальному сочетанию микрожидкостной системы и специального биопринтера. Процесс включал прохождение специальной жидкости, состоящей из полиэтиленгликоля (ПЭГ), этанола и воды, сквозь тонкие капилляры из стекла микроскопического размера. Когда эта смесь встречала струю чистой воды, происходила быстрая фазовая сегрегация компонентов, приводившая к образованию чётко структурированных областей.
Далее важную роль играла кратковременная световая вспышка, мгновенно фиксирующая сформированную структуру и превращающая её в устойчивый материал с губчатой поверхностью и большим количеством мелких пор. Подобный метод позволяет исследователям чрезвычайно точно регулировать размеры и формы образующихся пустот, что является ключевым фактором для успешного существования и нормального функционирования клеток в искусственных условиях.
Проведённые эксперименты с использованием нейральных стволовых клеток продемонстрировали успешное и стабильное прикрепление клеток к искусственному каркасу, активный рост и способность формировать полноценные функциональные связи между нейронами. По словам ведущего автора исследования доктора Принса Дэвида Окоро, ключевое достоинство разработанной системы состоит в её стабильности, обеспечивающей возможность длительных наблюдений и экспериментов.
Это свойство особенно ценно для глубокого анализа патогенеза различных заболеваний головного мозга и последствий травматических повреждений. Кроме того, зрелые клетки, полученные в рамках этой методики, демонстрируют значительное сходство с поведением настоящих тканей человеческого организма, что даёт дополнительные преимущества для моделирования реальных физиологических условий и проверки гипотез относительно возможных лечебных воздействий.
Достоинства новой технологии и перспективы ее дальнейшего развития
Иман Ношади, доцент кафедры биоинженерии, отметил, что разработанный материал создаёт благоприятные условия для клеток, обеспечивая их всеми необходимыми ресурсами для полноценного роста, правильной пространственной ориентации и эффективной межклеточной коммуникации. Такая среда позволяет исследователям добиться точного контроля над поведением каждой отдельной клетки и целого клеточного сообщества, формирующегося в виде плотных кластеров.
Благодаря этому открытию специалисты получают уникальные инструменты для детального изучения фундаментальных механизмов, лежащих в основе различных неврологических расстройств, а также для разработки эффективных методов терапии, направленных на восстановление утраченных функций нервной системы. Данная методика обладает огромным потенциалом и обещает стать важным этапом в развитии современной медицинской науки.
Сейчас диаметр создаваемого инженерами каркаса достигает всего двух миллиметров, однако исследовательская группа активно занимается расширением размеров и увеличением масштаба производства, стремясь сделать технологию доступной для широкого спектра прикладных задач. Параллельно учёные завершили подготовку научной публикации, подробно раскрывающей перспективный подход к созданию модели печени, используя схожие принципы.
Главная цель команды — разработка полноценной лабораторной инфраструктуры, представляющей собой сеть миниатюрных органов, способных координировать свою работу аналогичным образом, как это происходит в человеческом организме. Предполагается, что такая многоуровневая система даст возможность детально изучать влияние одних и тех же медикаментов на различные типы тканей одновременно, а также выявлять потенциальные последствия патологии одного органа на функционирование остальных элементов тела.
Подход с позиций биомиметики демонстрирует, что новый метод намного лучше воссоздаёт сложную архитектурную организацию настоящей мозговой ткани. Это качество делает его незаменимым инструментом для учёных, занимающихся изучением природы неврологических патологий, разработкой эффективных медикаментозных тестов и созданием методик восстановления повреждённых участков нервной системы. Высокая точность воспроизведения естественных характеристик ткани открывает широкий спектр возможностей для фундаментальной науки и клинической практики, позволяя добиваться результатов, близких к природным процессам регенерации и адаптации.