Rusztowania supramolekularne wspierają wzrost komórek ludzkich i roślinnych

Twoje ciało jest jedną z najbardziej złożonych struktur naturalnych w historii. Miliardy komórek są połączone w specyficzny sposób, w wyniku czego jesteś Ty. Jeśli przyjrzysz się uważnie komórkom, odkryjesz macierz zewnątrzkomórkową, żelowe środowisko, w którym żyją komórki i które pomaga im ze sobą rozmawiać. Jednakże w przypadku ataku choroby zarówno komórki, jak i macierz mogą zostać nieodwracalnie uszkodzone, co może prowadzić do utraty funkcji komórek.

W niej Doktorat badaniaMaritza Rovers szukała sposobów wytworzenia rusztowań na bazie mikrożelu dla komórek, które można by wykorzystać do podtrzymywania komórek oka, a nawet wspomagania wzrostu nerwów w przypadku urazów rdzenia kręgowego.

Każdy człowiek na planecie składa się z miliardów komórek, które są budulcem naszego ciała. Pomiędzy tymi komórkami znajduje się tak zwana macierz zewnątrzkomórkowa (ECM), żelowe środowisko, w którym komórki przeżywają swoje życie.

„Matrix zapewnia stabilność i ułatwia komunikację pomiędzy komórkami a samą matrycą” – mówi Rovers, która obroniła doktorat. rozprawę doktorską na Wydziale Inżynierii Biomedycznej 17 grudnia. „Kiedy jednak pojawi się choroba, może dojść do uszkodzenia macierzy zewnątrzkomórkowej i komórek. Czasami jednak organizm nie jest w stanie naprawić uszkodzeń, co prowadzi do utraty funkcji komórek i narządu, w którym znajdują się komórki.”

Zostać konstruktorem rusztowań

Zmotywowana do pomocy komórkom w lepszym gojeniu się, gdy atakuje choroba, Rovers postanowiła zostać budowniczym rusztowań w ramach swojego doktoratu. badacz, tworząc struktury naśladujące ten złożony ECM.

„Nie zdecydowałem się na budowę tych metalowych, które można zobaczyć wokół domów w budowie” – mówi Rovers. „Zamiast tego moim celem było zbudowanie rusztowań z molekularnych cegiełek, które wspierają komórki ludzkie i roślinne, a także pomagają im rosnąć”.

Aby stworzyć takie rusztowania, Rovers zwrócił się do świata chemii supramolekularnej, w której wykorzystuje się syntetyczne elementy składowe (znane jako monomery), które samoorganizują się w sieci. „Utworzone sieci lub rusztowania prowadzą do hydrożeli o właściwościach naśladujących ECM”.

Jednakże takie hydrożele są często dość gęste lub nieporęczne i mają ograniczoną kontrolę przestrzenną. „Naturalna ECM jest precyzyjnie regulowana przez procesy w różnych skalach długości i hydrożele masowe nie zawsze są w stanie to uchwycić. Mikrożele, jako małe elementy budulcowe większych rusztowań, oferują rozwiązanie naśladujące ECM” – mówi Rovers.

Początki mikroprzepływowe

Tworzenie tych supramolekularnych mikrożeli wymagało zastosowania mikroprzepływów opartych na kropelkach, czyli techniki, w której maleńkie kropelki wody tworzą się wewnątrz fazy olejowej. Ostatecznie żeluje to w mikrożel.

„Przyjęcie takiego podejścia pozwoliło na ostrożną modulację właściwości mikrożelu poprzez zmianę stężenia elementów budulcowych, środków sieciujących i bioaktywnych peptydów” – zauważa Rovers.

„Te maleńkie supramolekularne klocki konstrukcyjne przypominają różne typy zabawkowych klocków K’NEX. Dzięki tym samym klockom K’NEX można stworzyć całą gamę różnych projektów. To samo dotyczy supramolekularnych klocków konstrukcyjnych — możemy stworzyć całą gamę struktur, każdy o zupełnie innym przeznaczeniu, pracowałem nad stworzeniem z tych cząsteczek małych mikroelementów (mikrożeli), które można by wykorzystać w różnych typach komórek.

Mnóstwo aplikacji

Jakim typom komórek młoda badaczka chciała pomóc przy tworzeniu swoich nowych rusztowań? Cóż, mając dużą wiedzę na temat chemii supramolekularnej i zastosowań, które można było znaleźć w laboratorium Patricii Dankers, przełożonej Roversa, miała mnóstwo kolegów, z którymi mogła pracować nad różnymi zastosowaniami.

„Wspólnie z moją koleżanką Anniką Vrehen połączyliśmy nasze wysiłki badawcze. Annika pracowała nad zastępczą syntetyczną matrycą, aby zaprojektować mikrośrodowisko, w którym komórki zrębu – najgrubszej warstwy rogówki – mogłyby żyć i przetrwać. Wykorzystane przez nią komórki zamknęliśmy w kapsułkach w moich maleńkich mikrożelach Zaobserwowaliśmy, że komórki były w stanie wydostać się ze swojego mikrożelu i wejść w interakcję z innymi sąsiadującymi mikrożelami i komórkami”.

„Komórki zaczęły wykorzystywać mikrożele jako elementy składowe do budowy własnej struktury tkankowej. Było to całkowicie autonomiczne i komórki były w stanie same to zorganizować”.

Ponadto Rovers wykorzystał te same elementy składowe do stworzenia rusztowań mikrożelowych, które wspomogły wzrost komórek nerwowych po urazie rdzenia kręgowego, a nawet hodowały komórki roślinne.

Wymagające komórki roślinne

Dla Roversa największym wyzwaniem była hodowla komórek roślinnych. „Kiedy zaczynaliśmy, myśleliśmy, że to będzie łatwe. W przeciwieństwie do ludzi rośliny rosną wszędzie, a jeśli je przycinamy, odrastają. W przypadku ludzkiego ciała oczywiście nie jest to prawdą. Okazało się to jednak trudniejsze, niż się spodziewano —komórki roślinne były znacznie trudniejsze w hodowli w laboratorium, ponieważ są bardzo delikatne.”

Ostatecznie Rovers i jej współpracownikom udało się doprowadzić komórki roślinne do wzrostu w połączeniu z materiałami supramolekularnymi.

„Staraliśmy się pokazać, że choć nadal daleko mu do ideału, uprawa roślin może się wiele nauczyć od biomedycznej inżynierii tkankowej i medycyny regeneracyjnej. I oczywiście odwrotnie”.

Nauczyć się działać

Podczas doktoratu Podczas swojej podróży Rovers zdobyła wiele nowych umiejętności laboratoryjnych i nauczyła się samodzielnej pracy, ale jako ważniejszą podkreśla coś innego.

„Największą zmianą, jaką w sobie zobaczyłam, było nauczenie się działać i po prostu zacząć, zamiast o wszystkim za dużo myśleć, zanim zrobię cokolwiek w laboratorium. Na pierwszym roku doktoratu starałam się zaplanować każdy krok w laboratorium Ale to nie działa, ponieważ w laboratorium nie zawsze wszystko idzie zgodnie z planem. Eksperymenty kończą się niepowodzeniem i to właśnie w takich momentach uczysz się dostosowywania i znajdowania kreatywnych rozwiązań. Nie są to umiejętności, których można się nauczyć siedzenie przy biurku i nadmierne planowanie”.

Ponadto badaczka zauważa, jak ważne jest odnalezienie równowagi i odpuszczenie rzeczy, na które nie mamy wpływu. „Perfekcjonizm jest dobrą rzeczą w badaniach naukowych, ale nie powinien dominować. Będę sobie o tym przypominał przez resztę mojej kariery naukowej”.

Po czterech latach pracy z komórkami Rovers planuje kontynuować postępy w świecie małych rzeczy. „Po obronie zostanę przez krótki czas w mojej obecnej grupie badawczej. Następnie chcę wyjechać za granicę na stanowisko doktora habilitowanego. Są jednak czynniki, na które nie do końca mam wpływ, jak np. zabezpieczenie grantów. Mimo wszystko, staram się Dołożę wszelkich starań i będę patrzeć w przyszłość z optymizmem.”