Die Wissenschaft lässt sich von überall zu einem Durchbruch inspirieren. Eine klebrige Platte mit Bakterien gab uns das erste Antibiotikum - Penicillin. Durch die Kombination von Hefe mit einer Platinelektrode unter Spannung erhielten wir ein leistungsstarkes Chemotherapeutikum - Cisplatin. Dr. Andrew Pelling von der University of Ottawa bezieht seine radikalen Ideen aus dem Science-Fiction-Klassiker The Little Horror Store. Insbesondere mag er den Hauptgegner des Films: die Kannibalenpflanze Aubrey 2.
Es ist etwas, das wie eine Pflanze mit Säugetiermerkmalen aussieht, sagte Pelling diese Woche auf der Exponential Medicine-Konferenz in San Diego. "Also haben wir uns gefragt: Kann das in einem Labor gezüchtet werden?"
Pellings ultimatives Ziel ist es natürlich nicht, ein Science-Fiction-Monster zum Leben zu erwecken. Stattdessen möchte er verstehen, ob konventionelle Pflanzen die notwendige Struktur bieten können, um menschliches Gewebe zu ersetzen.
Aufstieg der Mechanobiologie
Das Züchten eines menschlichen Ohrs aus Äpfeln mag wie ein seltsamer Prozess erscheinen, aber Pellings Ausgangspunkt ist, dass faserige Innenseiten den Mikroumgebungen, in denen biotechnologisch hergestelltes menschliches Gewebe üblicherweise in Laboratorien gezüchtet wird, auffallend ähnlich sind.
Um beispielsweise ein Ohr zu ersetzen, schneiden oder drucken Wissenschaftler routinemäßig hohle Stützstrukturen aus teuren biokompatiblen Materialien. Anschließend impfen sie menschliche Stammzellen in diese Struktur und versorgen sie sorgfältig mit einem Cocktail aus Wachstumsfaktoren und Nährstoffen, um das Wachstum der Zellen zu fördern. Nach Wochen und Monaten der Inkubation vermehren sich die Zellen und differenzieren sich schließlich zu Hautzellen in den Wäldern. Das Ergebnis ist ein biotechnisch hergestelltes Ohr.
Das Problem ist, dass die Eintrittsbarriere sehr hoch ist: Stammzellen, Wachstumsfaktoren und Materialien für Wälder sind teuer in der Anschaffung und schwer herzustellen.
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Aber werden diese Komponenten wirklich benötigt?
Durch eine Reihe von Experimenten haben Pelling und andere entdeckt, dass diese mechanischen Kräfte nicht nur ein Nebenprodukt der Biologie sind. Vielmehr regulieren sie grundlegend die zugrunde liegenden molekularen Mechanismen der Zelle.
Frühere Studien haben gezeigt, dass jedes Stadium des Embryonenwachstums - „ein grundlegender Prozess in der Biologie“- durch mechanische Informationen reguliert und gesteuert werden kann. Mit anderen Worten, physikalische Kräfte können dazu führen, dass sich Zellen teilen und durch Gewebe wandern, da unser genetischer Code die Entwicklung des gesamten Organismus steuert.
Im Labor scheinen sich streckende und mechanisch stimulierende Zellen ihr Verhalten radikal zu ändern. In einem Test streute Pellings Team Krebszellen auf ein Blatt Hautzellen, das am Boden einer Petrischale gewachsen war. Krebszellen bilden kleine Kugeln und bilden eine klare Barriere zwischen Mikrotumor und Hautzellen.
Aber als das Wissenschaftlerteam das gesamte Zellsystem in ein Gerät einbaute, das es leicht dehnte - Atmung und Körperbewegung nachahmend -, wurden die Tumorzellen aggressiv und drangen in die Schicht der Hautzellen ein.
Was noch cooler ist: Es ist keine aktive Bewegung erforderlich, damit mechanische Kräfte das Zellverhalten verändern. Die Form der Mikroumgebung reicht aus, um ihre Handlungen zu steuern.
Wenn Pelling beispielsweise zwei Zelltypen in einer physischen Struktur mit Rillen platzierte, lösten sich die Zellen innerhalb weniger Stunden von selbst ab, und ein Typ wuchs in den Rillen und der andere bei höheren Projektionen. Durch einfaches Erfassen der Form dieser gewellten Oberfläche "lernten" sie, sich zu trennen und räumlich anzupassen.
Also: Mit nur einer Form können Zellen stimuliert werden, um komplexe dreidimensionale Modelle zu bilden.
Und hier wird uns der Apfel helfen.
Ein Apfel … oder ein Ohr?
Unter dem Mikroskop liegt die Mikroumgebung eines Apfels auf der gleichen Längenskala wie künstliche Oberflächen zur Herstellung von Ersatzgeweben. Diese Entdeckung ließ Wissenschaftler sich fragen: Ist es wirklich möglich, diese Pflanzenoberflächenstruktur zum Wachstum menschlicher Organe zu nutzen?
Um dies zu testen, nahmen sie einen Apfel und wuschen alle seine Pflanzenzellen, DNA und andere Biomoleküle. Es sind nur noch faserige Gerüste übrig - sie bleiben immer noch in Ihren Zähnen stecken. Als das Team menschliche und tierische Zellen darin platzierte, begannen die Zellen zu wachsen und sich zu verbreiten.
Ermutigt durch das Ergebnis schnitzten die Wissenschaftler einen Apfel in Form eines menschlichen Ohrs und wiederholten den obigen Vorgang. Innerhalb weniger Wochen vermehrten sich die Zellen und verwandelten ein Stück Apfel in ein fleischiges menschliches Ohr.
Natürlich wird eine Form nicht ausreichen. Das Ersatzgewebe muss auch im Körper Wurzeln schlagen.
Das Team implantierte dann Apfelwälder direkt unter die Haut der Maus. In nur acht Wochen besiedelten gesunde Mauszellen nicht nur die Matrix, sondern der Körper des Nagetiers produzierte auch neue Blutgefäße, die den Wäldern halfen, zu leben und zu gedeihen.
Biotechnisch hergestelltes Gewebe hat drei wichtige Eigenschaften: Es ist sicher, biokompatibel und wird aus einer erneuerbaren, ethischen Quelle hergestellt.
Übergang von der Theorie zur Praxis
Pelling ist von ihren Ergebnissen aufgrund ihrer Einfachheit besonders beeindruckt: Es benötigt keine Stammzellen oder exotischen Wachstumsfaktoren, um zu wirken. Der elegante Ansatz nutzt einfach die physische Struktur der Pflanze.
Das Team erweitert derzeit seine Arbeit auf drei Hauptbereiche des Tissue Engineering: Weichteilknorpel, Knochengewebe, Rückenmark und Nerven. Es ist wichtig, die spezifische Mikrostruktur der Pflanze mit dem Gewebe abzustimmen.
Und warum beschränken wir uns auf den Körper, den uns die Natur gegeben hat? Wenn Gerüstformen die einzige Determinante für das Tissue- oder Organ-Engineering sind, warum nicht eigene Formen erstellen?
Pelling bewaffnete sich mit dieser Idee und gründete eine Designfirma, die drei verschiedene Arten von Ohren aufbaute: normale menschliche Ohren, spitze Ohren wie Spocks und gewellte Ohren, die theoretisch verschiedene Frequenzen unterdrücken oder verstärken könnten.
Ilya Khel
