Morfogeneza sintetică

Morfogeneza sintetică este dezvoltarea controlată a organelor, sistemelor și părților corpului organismelor prin activarea unor mecanisme moleculare specifice, inclusiv crearea de țesuturi și organe programabile, biomateriale sintetice și materie vii programabile , precum și ingineria de novo a sistemelor morfogene complexe . 1] .

Starea actuală a lucrurilor

Prima luare în considerare a posibilelor mecanisme de morfogeneză a fost lucrarea matematicianului englez Alan Turing , publicată în 1952, „The chemical foundations of morphogenesis”, care a descris mecanismele biologiei dezvoltării în sistemele de ecuații diferențiale [2] . Sistemele morfologice naturale, de regulă, au o structură ierarhică modulară. Această caracteristică este rezultatul evoluției sistemelor biologice, în cadrul cărora s-au fixat principalele procese moleculare, urmate de o combinație de reglare dinamică a interacțiunilor intra și intercelulare. Morfogeneza sintetică este o abordare pentru înlocuirea țesuturilor, organelor și funcțiilor celulare pierdute de un organism adult prin inducerea unei repetari locale a ontogenezei normale sau prin formarea de organe cu funcții fundamental noi [1] . Însă, în prezent, domeniile de aplicare ale medicilor specialiști sunt de obicei limitate de posibilitățile de transdiferențiere și modelare celulară [3] , ceea ce este asociat cu trei probleme majore: a) lipsa de completitudine a elementelor bioconstructorului utilizat; b) asigurarea stabilităţii la zgomot a bioconstrucţiilor create; c) metode limitate de implementare a soluţiilor de bioinginerie.

Completitudinea elementelor bioconstructoare

Utilizarea abordărilor biologiei sintetice face posibilă rezolvarea problemei completitudinii elementelor ca una de proiectare, asamblarea unui biosistem din elementele unui „bioconstructor”. Recent, au apărut lucrări privind sistematizarea bibliotecilor de bioblocuri pentru construirea proprietăților și funcțiilor componentelor organelor și țesuturilor [4] pentru utilizare ulterioară în practica clinică [5] . Unul dintre astfel de domenii de utilizare este crearea de „marturi de organe” din celule pluripotente de diferite naturi pentru a completa morfogeneza în corpul uman [6] . În prezent, construcții genetice sintetice au fost implementate pentru a recunoaște tipul celulei, starea metabolică, semnalele biochimice și lumina pentru a schimba forma celulei, motilitatea și programul de diferențiere sau pentru a induce moartea celulei. Semnalizarea intercelulară sintetică permite unei populații de celule să ia decizii și să coordoneze comportamentul atât la nivel local, cât și la nivel global [1] . Ingineria celulară va oferi un instrument puternic de inginerie tisulară pentru aplicații clinice în chirurgie și medicina restaurativă. Construirea de noi sisteme simple în conformitate cu teoriile morfologiei derivate din studiul embrionilor reali va servi ca mijloc de testare riguroasă a acestor teorii, lucru care este foarte greu de realizat cu manipularea embrionilor complecși (biologia sistemelor ca trusă de instrumente). ). Cerințele de inginerie pentru morfologia sintetică includ dezvoltarea unei biblioteci de module senzoriale, module de reglementare și module efectoare care pot fi legate funcțional în interiorul celulelor. Un număr semnificativ de module senzoriale și de reglementare există deja și, ca atare, biblioteca necesară pentru proiectarea celulelor umane proiectate este deja la îndemână [7] .

Rezistența la zgomot a bioconstrucțiilor

Biologia dezvoltării ia în considerare fenomenul de complexitate organizațională și rezistență la zgomot în expresia genelor într-o celulă. În prezent, există diverse modele de astfel de procese, dar suntem departe de a înțelege întreaga imagine, în special morfogeneza, în care expresia genelor ar trebui să fie strict reglată. Este necesar să se studieze în mod fundamental problemele de reglare a expresiei genelor prin controlul dezvoltării unui organism care poate rezista la diverse influențe externe și stocasticității interne [8] . În acest scop, în prezent sunt utilizate diverse metode de modelare a proceselor metabolice în celule [9] . Comunitățile de celule modificate vor diferi în profilurile lor transcripționale, iar modelele de expresie a genelor se vor schimba ca urmare a dinamicii colective a comunităților celulare. Acest lucru sugerează că, într-o gamă largă de contexte biologice, expresia genelor reflectă un proces de auto-organizare asociat cu dinamica populației și a mediului [10] . Acest fenomen poate fi utilizat în proiectarea țesuturilor complexe cu mai multe componente, dintre care unele defecte de proiectare pot fi compensate prin auto-organizarea și adaptarea comunităților celulare.

Metode de implementare a soluțiilor de bioinginerie

În prezent, metodele de morfogeneză sintetică sunt reprezentate de tehnologiile biologice moleculare pentru sinteza și secvențierea acizilor nucleici, cultivarea celulelor într-un bioreactor , diferențierea sau transdiferențierea, în cadrul cărora celulele sunt capabile să treacă printr-o cale directă (de la pluripotente la somatică) sau cale inversă (de la somatic la multi- sau pluripotent). Integrarea datelor omice eterogene în combinație cu metodele de imagistică celulară a făcut posibilă modelarea funcționalității celulelor endoteliale ale vaselor de sânge [11] . Noile direcții în construcția organizațiilor intercelulare își găsesc locul și în crearea de noi simbioze [12] .

Preparate pentru organe

Abordarea mugurilor de organ este un set de metode pentru fabricarea de construcții de inginerie tisulară în care cavitățile corpului uman sau animal sunt utilizate ca bioreactor în ultima etapă a morfogenezei [13] . Prefabricarea unor astfel de semifabricate poate fi realizată prin diferite metode de turnare (bioprinting 3D; colonizarea matricei extracelulare cu celule într-un bioreactor rotativ; etc.) urmată de incubare in vivo sau in vitro , de exemplu, crearea unei fascie artificiale. blanc din celule și un purtător într-o bioimprimantă 3D și „antrenament” suplimentar al piesei de prelucrat în condiții in vivo [14] .

Perspective

Regenerarea funcțiilor organelor și țesuturilor prin utilizarea metodelor de biologie inginerească (sintetică) este o abordare sistematică promițătoare, ale cărei rezultate pot fi utilizate în practica clinică. Este nevoie de cercetare pentru a defini cu exactitate condițiile care imită organogeneza , ceea ce poate duce în cele din urmă la crearea de organe funcționale și comunități microbiologice. Morfogeneza sintetică este o abordare alternativă la bioingineria organelor și țesuturilor umane in vitro . Limitarea utilizării metodei este capacitatea organismului de a repara daune, de a elimina produsele metabolice etc. Animalele modificate genetic, cum ar fi miniporcii cu părți ale retrovirusurilor endogene porcine eliminate și înlocuite cu complexul MHC din celule [15] , pot fi utilizate atunci când este imposibil să crească un organ în corpul pacientului din motive medicale.

Vezi și

Note

  1. ↑ 1 2 3 Teague BP, Guye P., Weiss R. Morfogeneza sintetică // Cold Spring Harbour Perspectives in Biology. - 2016. - Vol. 8, nr. 9 . — P. a023929. - doi : 10.1101/cshperspect.a023929 .
  2. AM Turing, FRS Baza chimică a morfogenezei   // Phil . Trans. R. Soc. Lond. B. - 14-08-1952. — Vol. 237 , iss. 641 . — P. 37–72 . - ISSN 2054-0280 0080-4622, 2054-0280 . - doi : 10.1098/rstb.1952.0012 . Arhivat din original pe 9 octombrie 2017.
  3. JA Davies. Biologie sintetică: proiectarea căii raționale pentru medicina regenerativă  // Gerontologie. - 2015. - Octombrie. Arhivat din original pe 5 iulie 2017.
  4. E. Cachat, W. Liu, P. Hohenstein și JA Davies, „O bibliotecă de module efectoare de mamifere pentru morfologie sintetică.”, J. Biol. ing., vol. 8, nr. 1, p. 26, 2014.
  5. ^ WC Ruder , et al., „Synthetic biology moving into the clinic.”, Science, voi. 333, nr. 6047, pp. 1248–52, sept. 2011.
  6. T. Takebe, K. Sekine, M. Enomura, H. Koike, M. Kimura, T. Ogaeri, R.-R. Zhang, Y. Ueno, Y.-W. Zheng, N. Koike, S. Aoyama, Y. Adachi și H. Taniguchi, „Ficat uman vascularizat și funcțional dintr-un transplant de muguri de organ derivat din iPSC”, Nature, voi. 499, nr. 7459, pp. 481-484, iul. 2013.
  7. JA Davies, „Synthetic morphology: perspectives for engineered, self-constructing anatomy.”, J. Anat., voi. 212, nr. 6, pp. 707–19, iun. 2008.
  8. MB Elowitz, AJ Levine, ED Siggia, PS Swain, P. Guptasarma, JL Spudich, HH McAdams, P. Heitzler, MS Ko, S. Fiering, R. Lutz, U. Deuschle, PC Maloney, B. Rotman, J Paulsson, M. Ehrenberg, D. Boyd, A. Becskei, L. Serrano, MB Elowitz, S. Leibler, M. Thattai, A. van Oudenaarden, U. Alon, FN Capaldo, SD Barbour, MJ Casadaban, JS Parkinson , SE Houts, BJ Meyer, R. Maurer și M. Ptashne, „Expresia genetică stocastică într-o singură celulă.”, Science, voi. 297, nr. 5584, pp. 1183–6, aug. 2002.
  9. R. Rekhi și AA Qutub, „Systems approaches for synthetic biology: a pathway to mammalian design”, Front. Fiziol., voi. 4, p. 285, 2013.
  10. E. Stolovicki și E. Braun, „Collective Dynamics of Gene Expression in Cell Populations”, PLoS One, voi. 6, nr. 6, p. e20530, iunie. 2011.
  11. J. Frueh, N. Maimari, Y. Lui, Z. Kis, V. Mehta, N. Pormehr, C. Grant, E. Chalkias, M. Falck-Hansen, S. Bovens, R. Pedrigi, T. Homma , G. Coppola și R. Krams, „Sisteme și biologie sintetică a peretelui vasului”, FEBS Lett., voi. 586, nr. 15, pp. 2164–2170, 2012.
  12. ^ JK Polka, SG Hays și PA Silver, „Building Spatial Synthetic Biology with Compartments, Scaffolds, and Communities.”, Cold Spring Harb. perspectivă. Biol., p. a024018, jun. 2016.
  13. T. Takebe, M. Enomura, E. Yoshizawa, M. Kimura, H. Koike, Y. Ueno, T. Matsuzaki, T. Yamazaki, T. Toyohara, K. Osafune, H. Nakauchi, HY Yoshikawa și H. Taniguchi, „Muguri de organ vascularizați și complexi din țesuturi diverse prin condensare condusă de celule mezenchimale”, Cell Stem Cell, voi. 16, nr. 5, pp. 556–565, 2015.
  14. Klabukov I.D. Culegere de probleme în biologia ingineriei . - SSRN, 2016. - 56 p.
  15. Niemann, H., & Petersen, B. (2016). Producția de porci multi-transgenici: actualizare și perspective pentru xenotransplant. Cercetare transgenică ,  25 (3), 361-374. doi:10.1007/s11248-016-9934-8

Literatură