Hodvábna cesta sa obrátila k biotechnológii

Hodvábna cesta sa obrátila k biotechnológii

Fiorenzo Omenetto, držiaci hodvábny fibroínový film ilustrujúci rôzne techniky spracovania. Foto Luke Groskin

V rohu miestnosti s oknami je sklenená skriňa kuriozít silklab na Tufts University v Bostone. Medzi jeho novinky: lietadlo na diaľkové ovládanie; polovica natvrdo uvareného vajíčka konzervovaného v trblietavom, sľudovom materiáli; niekoľko pohárov pripomínajúcich polystyrénové; a niekoľko miniatúrnych lebiek.



Fiorenzo Omenetto, profesor biomedicínskeho inžinierstva a fyziky a spoluriaditeľ laboratória, siahajúci do prípadu, odstraňuje jednu z lebiek o veľkosti šálky kávy. „Toto je vlastne ‚mini Yorick‘,“ žartuje Omenetto (jeho študenti mu hovoria „Fio“) s odkazom na postavu exhumovanú v Shakespearovom Hamlet .

Akokoľvek sa táto malá lebka a jej kuriózne kamarátky môžu zdať rozdielne, majú spoločnú niť: všetky boli vyrobené, aspoň čiastočne, z proteínu nachádzajúceho sa v hodvábe, šľachovom materiáli produkovanom húsenicou priadky morušovej, Bombyx mori .

„Kabinet kuriozít“ v silklab na Tufts University. Foto Julie Leibach

V niektorých prípadoch sú objekty viac gýčovité ako funkčné – vedľajšie projekty odrážajú kreativitu Willyho Wonku, ktorej sa darí v laboratóriu Omenetto. Tu on a asi tucet študentov skúmali, ako možno spracovať hodvábny proteín nazývaný fibroín a vyrobiť z neho biologicky odbúrateľné materiály a zariadenia s celým radom potenciálnych aplikácií v medicíne a mimo nej, od diagnostického zobrazovania cez skladovanie a podávanie liekov až po senzory na monitorovanie kvality potravín .

„Máte nápad, môžete sa mu venovať,“ hovorí Mark Brenckle, Ph.D. študent v laboratóriu Omenetto. 'Ale kedykoľvek nebudete mať nápad, jednoducho vojdite do Fiovej kancelárie a o päť minút neskôr odídete s 10.'

Omenettov starý laboratórny zápisník označený ako „Stuff October 2005“ – rok, kedy nastúpil do Tufts – je toho dôkazom. Je plná poznámok, „má veľa nápadov, ktoré sa v tom čase zdali trochu bláznivé, ale určite sa nakoniec splnili,“ hovorí Omenetto, ktorého kancelária je malá škatuľka s plagátom na dverách s nápisom: „Som Talian a ja nemôžeme zostať pokojní.'

Práca, ktorá vychádza z laboratória, má korene v priekopníckom výskume, ktorý vykonal kolega Tufts, profesor biomedicínskeho inžinierstva David Kaplan. Takmer pred tromi desaťročiami začal Kaplan študovať vlastnosti a funkcie hodvábneho fibroínu ako prirodzene sa vyskytujúceho polyméru. Jeho tím teraz skúma, ako možno proteín použiť v tkanivovom inžinierstve a regeneratívnej medicíne, okrem iných medicínskych aplikácií. [Pre viac informácií o Kaplanovej práci si pozrite „.“]

Po desaťročí výskumu, často v spolupráci s Kaplanovou skupinou, vidí Omenetto hodvábny fibroín ako „absolútne úžasný most“ medzi biológiou a technológiou v úsilí o zlepšenie personalizovanej medicíny. „Nie je to len ďalší materiál,“ hovorí. 'Je to súbor funkcií.'

Súvisiace video

Lekárske zázraky Worm Spit

Hodváb bol najprv votkaný do textílie asi pred 5000 rokmi v Číne. Odvtedy, s príchodom sériovej výroby, sa tento materiál stal všadeprítomným, „či už ide o oblečenie, kravaty, posteľné obliečky a obliečky na vankúše a tak ďalej,“ hovorí Kaplan. 'Je veľmi odolný ako proteínová tkanina, a to je skutočne dôvod, prečo je vo svete taká rozsiahla výroba tohto proteínu.' Získanie zámotkov priadky morušovej na výskum je preto relatívne jednoduché a lacné, hovorí. Tufts použil kokóny z Japonska, Číny, Thajska a Indie, ako aj z Južnej Ameriky. [Pre aktivitu pitvy kukly, .]

V ruke sú belavé tobolky vajcovitého tvaru malé a mäkké ako plsť. V húsenici však hodváb začína ako tekutá zmes bielkovín, soli a vody uložená v orgáne nazývanom hodvábna žľaza. Keď priadka morušová roztočí svoj kokon, táto zmes – vytlačená cez ústa húsenice – sa premení na dlhé tenké vlákno, ktoré je „odolné voči všetkým druhom environmentálnych urážok,“ hovorí Kaplan.

Hodvábne zámotky. Foto Luke Groskin

Aby mohli výskumníci spracovať hodváb na výskum, musia vlákno premeniť späť do tekutého stavu, vyčistené tak, aby obsahovalo iba fibroínový proteín. Proces je pomerne jednoduchý a zahŕňa: rozrezanie zámotkov na malé kúsky; varenie v slabom alkalickom roztoku; opláchnutie a vysušenie gossamerového vlákna, ktoré sa oddeľuje (fibroín); rozpustenie pomocou soľného rozpúšťadla; a potom spustenie dialýzy vo vode, aby sa nakoniec vytvoril vodný roztok fibroínu. Od začiatku do konca je metóda relatívne benígna a vytvára veľmi málo odpadu.

Od tohto východiskového bodu vodného roztoku sa potom hodvábny fibroín stáva „veľmi laditeľným“, ako hovorí Kaplan. Inými slovami, môže byť spracovaný do viacerých foriem – od hubovitých lešení na podporu rastu buniek, cez adhezívne gély na držanie poškodených tkanív pohromade až po tvrdené štruktúry na spojenie zlomenej kosti. Spracovanie sa môže uskutočniť jednoducho s použitím vody pri relatívne nízkych teplotách, čo je nielen šetrnejšie k životnému prostrediu, ale umožňuje zmiešanie proteínu s inými biologickými zložkami, ako sú bunky, ktoré by sa mohli zhoršiť v podmienkach vyžadujúcich tvrdšie chemikálie alebo extrémne teploty.

Súvisiaci vzdelávací zdroj

Preparujte kuklu priadky morušovej

Pokiaľ ide o implantáciu do tela, hodvábny fibroín má niekoľko atraktívnych vlastností. Napríklad je biokompatibilný, čo znamená, že môže byť vložený do živého tkaniva bez spustenia zápalovej reakcie alebo útoku imunitného systému. (Naproti tomu polyestery – ďalšia populárna trieda biopolymérov používaných v zdravotníckych pomôckach – sú podľa Kaplana náchylnejšie na zápalovú reakciu.) Hodvábne stehy sú skutočne schválené FDA už desaťročia (a používajú sa v medicíne po stáročia), hoci „Z hodvábu sa v podstate nevyrábali žiadne iné zdravotnícke pomôcky, kým sme nezačali asi pred 15 rokmi,“ hovorí Kaplan.

Hodvábny fibroín je tiež biodegradovateľný a bioresorbovateľný – po vložení do tela sa rozpustí v predpísanom čase, rádovo v hodinách až párnych rokoch, v závislosti od použitej metódy spracovania.

'Nikdy som nevidel, nenašiel ani nepracoval s iným materiálom z prírody, ktorý ponúka všestrannosť a rozsah vlastností, ktoré môžete dosiahnuť s touto pozoruhodnou rodinou proteínov,' hovorí Kaplan.

A keď sa Omenetto pripojil k tímu v Tufts, výskumníci objavili ďalšiu cnosť: užitočnosť hodvábu ako optického materiálu.

Omenetto už dlho fascinovalo so svetlom. Ako dieťa vyrastajúce vo Varese v Taliansku ho jeho otec-analytický chemik pozýval, aby sledoval experimenty zahŕňajúce plameňovú spektroskopiu, ktorá využíva svetlo plameňa na určenie množstva chemického prvku v látke. „Kontrolované svetlo a kontrolovaný oheň – to už nie je chladnejšie,“ hovorí Omenetto, 48. Myšlienka využiť éterickú povahu svetla ho zaujala. 'Myslel som si, že je to nejaká čierna mágia,' hovorí.

Po ukončení doktorátu z aplikovanej fyziky (má aj magisterský titul z elektrotechniky) pracoval Omenetto v oblasti optiky v Lost Alamos National Laboratory, kde skúmal spôsob, akým sa svetlo vysokej intenzity z laserov šíri materiálmi, ako sú optické vlákna (odvetvie tzv. nelineárna optika).

Keď sa však pripojil k tímu biomedicínskeho inžinierstva v Tufts, Kaplan si nebol istý, ako by do toho zapadli Omenettove odborné znalosti. „Vedel som, že je veľmi dynamický, veľmi šikovný, má skvelé nápady,“ hovorí Kaplan, „ale presne tam, kde Bolo by potrebné určiť medzeru v BME [biomedicínske inžinierstvo].“

Náhodné stretnutie na chodbe viedlo k odhaleniu. Kaplanovo laboratórium vyvíjalo tkanivovo skonštruované rohovkové implantáty, ktoré zahŕňali rast rohovkových buniek na lešení z priehľadných a ultratenkých filmov na báze hodvábu (výskum pokračuje). Táto technika vyžadovala stohovanie filmov na seba - ale aby sa živiny a kyslík filtrovali cez stohy, aby sa dostali k rastúcim bunkám, vrstvy vyžadovali starostlivú perforáciu.

Kaplanovi došlo, že „[Omenetto] má tieto fantastické lasery, ktoré dokážu s materiálmi robiť najrôznejšie veci,“ spomína. Keď Kaplan narazil na svojho kolegu v hale, požiadal Omenetta, aby „vyrobil nejaké diery“ v lešení.

Omenetto súhlasil a bol ohromený tým, čo objavil. Keď posvietil laserom na tenkú hodvábnu fóliu, prešla rovno, namiesto toho, aby sa rozptýlila po povrchu, ako by to bolo pri hrubšom materiáli. Omenetto zistil, že si myslí: 'Hej, toto musí byť veľmi dobrý optický materiál.'

Hodváb je skutočne transparentný pre svetlo všetkých viditeľných vlnových dĺžok, na rovnakej úrovni ako väčšina priehľadných plastov alebo skla. Po druhé, je extrémne hladký, s primeraným indexom lomu, porovnateľným so sklom. Hodváb je navyše možné spracovať na mikro a nanoúrovni tak, aby obsahoval drobné geometrické vzory navrhnuté tak, aby interagovali so svetlom.

Zjavenie dalo do pohybu Omenettov výskum. „Začali sme si myslieť, že ak by sme tam mohli primiešať biologické veci, vytvorili by sme veľmi nezvyčajné optické zariadenia,“ hovorí.

Sada mikrohranolov na báze hodvábu dopovaná doxorubicínom. Rozmer hranola je približne 100 mikrometrov. Autor fotografie Fiorenzo Omenetto

Pred niekoľkými rokmi vyvinulo laboratórium Omenetto vynikajúci príklad optického zariadenia na báze hodvábu: list v podstate malých zrkadiel - nazývaných tiež polia mikrohranolov - navrhnutých tak, aby boli plne implantovateľné a resorbovateľné v tele. Zrkadlá sú vyrobené výhradne z hodvábneho fibroínu, ktorý bol odliaty do formy založenej na komerčnom reflektorovom materiáli. Keď na ne zasvieti svetlo, odrážajú to geometrické vzory v mikromierke, rovnako ako stopka.

Hlásenie v Zborník Národnej akadémie vied ( PNAS ) v roku 2012 tím spoločnosti Omenetto preukázal niekoľko potenciálnych biomedicínskych použití pre tieto polia mikroprizmov. V jednom in vitro experimente použili imitáciu tkaniva (nazývanú fantómy), aby demonštrovali, ako môže zariadenie zlepšiť zobrazovanie tkaniva. Teoretickým príkladom je myšlienka, že ak by sa zrkadlá implantovali do tela pod nádor a na oblasť by svietilo blízke infračervené svetlo, odrážali by svetlo spôsobom, ktorý vytvára kontrast potrebný na meranie veľkosti rastu.

V inom súbore experimentov výskumníci naplnili alebo „dopovali“ roztok hodvábneho fibroínu liekom proti rakovine nazývaným doxorubicín a potom ho formovali do zrkadiel. Keď vystavili hranoly enzýmom in vitro, zrkadlá sa degradovali - a svetlo, ktoré odrážali, sa znížilo. Sledovaním zmeny odrazivosti svetla zistili, že dokážu posúdiť rýchlosť uvoľňovania liečiva.

Zatiaľ čo zrkadlá sú dôkazom koncepcie, ich potenciálne aplikácie stále stoja za zváženie, tvrdí Tiger Tao, hlavný autor PNAS papier a bývalý postdoktorand a výskumník v laboratóriu Omenetto. Ak napríklad niekto trpí lokalizovaným nádorom, schopnosť podávať cielenú terapiu a monitorovať uvoľňovanie liekov je rozhodujúca, pretože „lieky zabíjajúce rakovinu sú veľmi škaredé,“ hovorí Tao. 'Musíte sa uistiť, že liek sa uvoľňuje správnou rýchlosťou, aby väčšinou zabíjal nádory a nie obklopoval dobré tkanivá.'

Ďalej, na rozdiel od mnohých dnes dostupných liekov, ktoré musia byť v chladničke, hodváb je pozoruhodne stabilný pri izbovej teplote, aj keď je dopovaný liekmi. „Všetky tieto aspekty spolu robia toto jednoduché [zrkadlové] zariadenie funkčnejším [zariadením],“ hovorí Tao.

V rámci ich snahy pridať technologickú funkciu hodvábneho fibroínu, Omenetto a jeho tím nedávno skúmali schopnosť hodvábu prepojiť sa s elektronikou.

„Vzniká nápad, ako vziať biomateriály a polyméry, ktoré sa zvyčajne používajú v jednom kontexte, a potom im poskytnúť nejakú zaujímavú elektronickú funkčnosť,“ hovorí Christopher Bettinger, odborný asistent materiálovej vedy a biomedicínskeho inžinierstva na Carnegie Mellon University, ktorý je známy s prácou v Tufts (je tiež spoluautorom a papier s Kaplanom).

V prípade elektronického zariadenia na báze hodvábu je kľúčové, že „elektronické materiály, podobne ako hodváb, musia byť biokompatibilné a bioresorbovateľné,“ hovorí John A. Rogers, profesor materiálovej vedy a inžinierstva na University of Illinois. v Urbana-Champaign, ktorý spolupracoval s Omenettom a Kaplanom na niekoľkých projektoch. V opačnom prípade „potrebujete druhú operáciu, aby ste vstúpili a vylovili hardvér“.

Za týmto účelom urobil tím vrátane Rogersa a Omenetta v novembri minulého roka pokrok, keď ohlásil vývoj bezdrôtového, diaľkovo ovládaného zariadenia na báze hodvábu označovaného ako „horčíkový ohrievač“ a určeného na zabíjanie lokalizovanej bakteriálnej infekcie.

„Toto bola vlastne prvá [in vivo] demonštrácia implantovateľného zariadenia, ktoré môže byť plne rozložiteľné s kontrolovateľnou životnosťou, ktoré malo aj nejakú skutočnú funkčnosť,“ hovorí Tao, tiež hlavný autor táto štúdia , Vydaný v PNAS . (Pozrite si diagram tu .)

Horčíkový „ohrievač“. Autor fotografie Fiorenzo Omenetto

Tento vynález má asi štvrtinu veľkosti poštovej známky a pozostáva z tenkých, priehľadných hodvábnych fólií, ktoré sú vložené okolo niečoho, čo vyzerá ako bludisko – také, aké by dieťa mohlo vyriešiť v knihe aktivít, len maličké. V skutočnosti sa „bludisko“ skladá zo serpentínového odporu a cievky na príjem energie vyrobenej z horčíka – esenciálneho iónu, ktorý telo potrebuje. Pretože horčík sa v živom tkanive rozkladá pomerne rýchlo, hodváb slúži ako ochranný štít, ktorý sa rozkladá pomalšie.

Na demonštráciu jeho užitočnosti vedci vložili zariadenie pod kožu infikovaných myší Staphylococcus aureus . Pomocou diaľkového ovládača signalizovali horčíkovej cievke, aby zahriala odpor, čo následne zabilo baktérie. Tím tiež vyskúšal dopovať hodvábny fibroín liekom, ako to urobili so zrkadlami. Zistili, že in vitro dodávanie tepla spustilo uvoľňovanie liečiva a zničilo baktérie.

„Vízia [tohto zariadenia] by bola taká, že nemusíte pravidelne užívať tabletky,“ hovorí Rogers. 'Namiesto toho sú všetky potrebné lieky vložené do tejto platformy a potom stačí stlačiť bezdrôtovú spúšť, aby ste tieto lieky uvoľnili.'

Navyše, pretože zariadenie funguje na lokálnej úrovni, mohlo by byť potenciálne vložené do chirurgických rezov pred ich zošitím. 'Pravdepodobne existuje 10-15 percent pacientov, ktorí trpia touto pooperačnou bakteriálnou infekciou,' hovorí Tao.

Výskumníci v súčasnosti stavajú na tejto práci, podľa Rogersa, a predložili ďalší dokument, ktorý, ako dúfajú, vyjde niekedy v lete. Aj keď by nakoniec trvalo asi sedem rokov, kým by sa zariadenie, ako sú ohrievače, dostalo na trh, tento koncept má niekoľko bodov v prospech, hovorí Rogers.

Po prvé, ako hodváb vo forme šitia, antibiotiká, ktoré tím použil, sú už schválené FDA. „Skutočnosť, že tieto materiály boli použité pre iné druhy implantátov, dáva istotu, že neexistujú žiadne skutočné problémy s biokompatibilitou s materiálmi, ktoré používame,“ hovorí. 'Je ťažké predvídať tieto veci, ale myslím si, že sme urobili rozumný súbor rozhodnutí.'

Samozrejme, skok z laboratórnej lavice na posteľ so sebou prináša aj ďalšie prekážky. Niektorí chirurgovia nemusia vidieť potrebu zariadenia, ktoré sa rozpúšťa v živom tkanive, hovorí Bettinger a „v určitom zmysle sú to zákazníci, ktorých by bolo potrebné najskôr presvedčiť, aby mohli používať tento druh novej technológie.

Lebky z hodvábneho fibroínu. Foto Luke Groskin

Je lákavé predstaviť si hodvábny fibroín ako zázračný materiál av mnohých ohľadoch je. Pokiaľ ide o spoločnosť Omenetto, dôraz by sa nemal klásť na hodváb ako taký, ale na snahu premeniť prírodné materiály na „inteligentné“ produkty s technologickou funkciou a nízkym dopadom na životné prostredie, či už ide o biomedicínu alebo životný štýl (napríklad nositeľnú elektroniku ). „Hodváb je určite výhovorka. [Ale] Myslím si, že je to väčšie,“ hovorí.

„Myslím si, že bude veľa zaujímavých vecí, ktoré vzídu z kooptovania týchto materiálov pre technologické aplikácie alebo pre ďalšiu generáciu bioplastov a špecifické rozhrania na mikro a nanoúrovni, ktoré prinášajú technológiu a biológia spolu,“ hovorí Omenetto.

Spoločnosť Bettinger napríklad vyvíja požívateľné terapeutické zariadenie na batérie, ktoré pozostáva z prírodných polymérov vrátane cukrov a tukov a dokonca aj škoricového korenia. Vlastné laboratórium Omenetto študovalo kozí kašmír, ktorý obsahuje keratín, ďalší biopolymér, ktorý má oproti hodvábu výhody v tom, že sa lepšie spája s niektorými kovmi.

Hodvábna cesta je však dlhá a ešte k nej zostávajú míle na preskúmanie. „Premýšľajte o tom, ako môžu byť všetky tieto [hodvábne] formy posilnené ľahkým dopingom, jednoduchým zmiešaním vecí, ktoré blikajú, vecí, ktoré žijú, vecí, ktoré viažu kyslík, vecí, ktoré liečia atď.,“ hovorí Omenetto. 'Kuchárka technológie je veľmi rozsiahla.'

*Tento článok bol aktualizovaný 12. júna 2015, aby odrážal nasledujúce zmeny: Keď sa hodvábny fibroín pripravuje, musí tiež prejsť krokom dialýzy a časom v centrifúge, aby sa stal použiteľným vodným roztokom. Pôvodne spomínaný viskózny roztok s medovým nádychom je spôsob, akým sa fibroín objavuje v soľnom roztoku. Skoršia verzia tiež uvádzala, že pri experimente s horčíkovým ohrievačom bolo na uvoľnenie liečiva potrebné menšie množstvo tepla, ako keď hodváb nebol dopovaný liečivami. Bolo to porovnateľné množstvo tepla.