Siiditee pööre biotehnoloogia poole

Fiorenzo Omenetto, käes siidist fibroiinkile, mis illustreerib erinevaid töötlemistehnikaid. Foto Luke Groskin

Maja aknaga toa nurgas seisab klaaskapp uudishimudega silklab Bostoni Tuftsi ülikoolis. Selle uudiste hulgas: kaugjuhtimispuldiga lennuk; pool läikivas vilgukivitaolises materjalis säilinud kõvaks keedetud munast; paar tassi, mis meenutavad vahtpolüstürooli; ja mitu miniatuurset pealuud.

Biomeditsiinitehnika ja füüsika professor ning labori kaasdirektor Fiorenzo Omenetto eemaldab juhtumisse ühe kohvitassi suuruse kolju. 'See on tegelikult 'mini Yorick',' naljatab Omenetto (tema õpilased kutsuvad teda 'Fioks'), viidates Shakespeare'i teoses välja kaevatud tegelasele. Hamlet .

Nii erinevad kui see väike kolju ja selle uudishimulikud kaaslased ka ei tundu, on neil ühine joon: nad kõik on vähemalt osaliselt valmistatud siidis leiduvast proteiinist, siidiussliblika rööviku poolt toodetud kõõlulisest materjalist, Bombyx mori .

Mõnel juhul on objektid pigem kitšilikud kui funktsionaalsed – kõrvalprojektid, mis peegeldavad Willy Wonka-laadset loovust, mis Omenetto laboris õitseb. Siin on tema ja kümmekond õpilast uurinud, kuidas siidivalku nimega fibroiin saab töödelda ja kujundada biolagunevateks materjalideks ja seadmeteks, millel on mitmesuguseid potentsiaalseid rakendusi meditsiinis ja mujal, alates diagnostilisest pildistamisest kuni ravimite säilitamise ja kohaletoimetamiseni. andurid toidu kvaliteedi jälgimiseks .

'Teil on idee, võite seda vabalt jätkata,' ütleb doktor Mark Brenckle. õpilane Omenetto laboris. 'Kuid iga kord, kui teil pole ideed, astuge lihtsalt Fio kontorisse ja lahkute viis minutit hiljem kümnega.'

Seda kinnitab Omenetto vana laborimärkmik, millel on silt „Stuff October 2005” – aastal, mil ta Tuftsiga liitus. Märkmetest tulvil 'selles on palju ideid, mis tundusid tol ajal pisut hullud, kuid mis said kindlasti teoks,' ütleb Omenetto, kelle kontor on väike kast, mille uksel on plakat: 'Ma olen. Mina ja itaallane ei suuda rahulikuks jääda.

Laborist väljuv töö põhineb teedrajavatel uuringutel, mille tegi Tuftsi biomeditsiinitehnika professor David Kaplan. Ligi kolm aastakümmet tagasi hakkas Kaplan uurima siidfibroiini kui looduslikult esineva polümeeri omadusi ja funktsioone. Tema meeskond uurib nüüd, kuidas saab valku kasutada koetehnoloogias ja regeneratiivses meditsiinis, muu hulgas meditsiinilistes rakendustes. [Kaplani töö kohta lisateabe saamiseks vaadake '.']

Pärast kümneaastast uurimistööd, sageli koostöös Kaplani rühmaga, näeb Omenetto siidfibroiini kui 'täiesti hämmastavat silda' bioloogia ja tehnoloogia vahel, et saavutada täiustatud personaliseeritud meditsiin. 'See pole lihtsalt järjekordne materjal,' ütleb ta. 'See on funktsioonide kogum.'

Worm Spit meditsiinilised imed

Siid kooti esmalt tekstiiliks umbes 5000 aastat tagasi Hiinas. Sellest ajast alates on masstootmise tulekuga materjal muutunud üldlevinud, 'olgu see riietes, lipsudes, voodilinades ja padjapüürides jne,' ütleb Kaplan. 'See on valgukangana väga vastupidav ja see on tõesti põhjus, miks seda valku toodetakse maailmas nii ulatuslikult.' Seetõttu on siidiusside kookonite hankimine uurimistööks suhteliselt lihtne ja odav, ütleb ta. Tufts on kasutanud Jaapanist, Hiinast, Taist ja Indiast ning Lõuna-Ameerikast pärit kookoneid. [Kookonite lahkamise jaoks .]

Käes on valkjad munakujulised kapslid väikesed ja pehmed, nagu vilt. Röövikus saab siid alguse aga valkude, soola ja vee vedela seguna, mida hoitakse organis, mida nimetatakse siidinäärmeks. Kui siidiuss oma kookonit keerutab, muutub see rööviku suu kaudu välja pressitud segu pikaks õhukeseks kiuks, mis on 'vastupidav igasuguste keskkonnaalaste solvangute vastu', ütleb Kaplan.

Siidi uurimiseks töötlemiseks peavad teadlased muutma kiu tagasi vedelasse olekusse, mis on puhastatud nii, et see sisaldaks ainult fibroiini valku. Protsess on suhteliselt lihtne, hõlmates: kookonite lõikamist väikesteks tükkideks; nende keetmine nõrgas leeliselises lahuses; eralduva gossameri kiu (fibroiini) loputamine ja kuivatamine; selle lahustamine soolalahusti abil; ja seejärel dialüüsi vees, et lõpuks luua fibroiini vesilahus. Algusest lõpuni on meetod suhteliselt healoomuline ja tekitab väga vähe jäätmeid.

Sellest vesilahuse lähtepunktist alates muutub siidfibroiin 'väga häälestatavaks', nagu Kaplan ütleb. Teisisõnu saab seda töödelda mitmeks vormiks – käsnjatest karkassidest, mis toetavad rakkude kasvu, kleepuvate geelideni kahjustatud kudede koos hoidmiseks, kõvastunud struktuurideni luumurdude ühendamiseks. Töötlemiseks võib kasutada lihtsalt suhteliselt madalatel temperatuuridel vett, mis ei ole mitte ainult keskkonnasõbralikum, vaid võimaldab valgu segada teiste bioloogiliste komponentidega, näiteks rakkudega, mis võivad karmimaid kemikaale nõudvates tingimustes või äärmuslikes temperatuurides rikneda.

Lõika siidiussi kookon

Kui rääkida kehasse implanteerimisest, on siidifibroiinil mitmeid atraktiivseid omadusi. Näiteks on see bioühilduv, mis tähendab, et seda saab sisestada eluskoesse ilma põletikulist reaktsiooni või immuunsüsteemi rünnakut käivitamata. (Seevastu polüestrid – teine ​​​​populaarne meditsiiniseadmetes kasutatavate biopolümeeride klass – on Kaplani sõnul kalduvamad põletikuliste reaktsioonide tekkele.) Tõepoolest, siidiõmblused on olnud FDA poolt aastakümneid heaks kiidetud (ja neid on meditsiinis kasutatud sajandeid), kuigi 'Kuni umbes 15 aastat tagasi alustasime, ei valmistatud sisuliselt muid siidist meditsiiniseadmeid,' ütleb Kaplan.

Siidfibroiin on ka biolagunev ja bioresorbeeruv – see lahustub kehasse sattudes ettenähtud aja jooksul, sõltuvalt kasutatud töötlemismeetodist tundidest kuni isegi aastateni.

'Ma pole kunagi näinud ega leidnud ega töötanud koos ühegi muu loodusest pärit materjaliga, mis pakub selle tähelepanuväärse valguperekonnaga saavutatavat mitmekülgsust ja erinevaid omadusi,' ütleb Kaplan.

Ja kui Omenetto Tuftsi meeskonnaga liitus, avastasid teadlased veel ühe vooruse: siidi kasulikkuse optilise materjalina.

Omenetto on pikka aega võlunud valgusega. Lapsena, kes kasvas Itaalias Vareses, kutsus tema analüütilisest keemikust isa teda vaatama katseid, mis hõlmasid leegispektroskoopiat, mis kasutab leegi valgust aine keemilise elemendi koguse määramiseks. 'Kontrollitud valgus ja kontrollitud tuli – see ei muutu sellest lahedamaks,' ütleb Omenetto, 48. Valguse eeterliku olemuse ärakasutamise idee huvitas teda. 'Ma arvasin, et see on mingi must maagia,' ütleb ta.

Pärast rakendusfüüsika doktorikraadi omandamist (tal on ka magistrikraad elektrotehnika alal) töötas Omenetto Lost Alamose riiklikus laboris optika alal, uurides, kuidas laseritest tulev suure intensiivsusega valgus levib läbi selliste materjalide nagu optilised kiud (haru nn. mittelineaarne optika).

Kui ta aga Tuftsi biomeditsiini inseneri personaliga liitus, polnud Kaplan kindel, kuidas Omenetto teadmised sinna sobivad. „Ma teadsin, et ta on väga dünaamiline, väga tark, [oli] suurepäraseid ideid,” ütleb Kaplan. nišš oleks BME-s [biomeditsiinitehnika], mida tuleb kindlaks teha.

Juhuslik kohtumine koridoris viis ilmutuseni. Kaplani labor oli välja töötanud koetehnoloogia abil loodud sarvkesta implantaate, mis hõlmasid sarvkesta rakkude kasvatamist läbipaistvate ja üliõhukeste siidipõhiste kilede karkassil (uuringud on pooleli). See tehnika nõudis kilede virnastamist üksteise peale, kuid toitainete ja hapniku filtreerimiseks läbi virnade, et jõuda kasvavate rakkudeni, oli vaja kihid hoolikalt perforeerida.

Kaplanile jõudis kohale, et '[Omenettol] olid need uhked laserid, mis suudavad materjalidega igasuguseid veidraid asju teha,' meenutab ta. Joostes esikus kolleegile, palus Kaplan Omenettol tellingutesse 'mõned augud torkida'.

Omenetto kohustas ja oli avastatu üle jahmunud. Kui ta laseriga õhukesele siidkilele valgustas, läks see pigem otse läbi, mitte ei hajunud üle pinna, nagu oleks karedama materjali puhul. Omenetto leidis end mõtlemast: 'Hei, see peab olema väga hea optiline materjal.'

Tõepoolest, siid on läbipaistev kõigi nähtavate lainepikkuste valgusele, mis on samaväärne enamiku läbipaistvate plastide või klaasidega. Teiseks on see äärmiselt sile, mõistliku murdumisnäitajaga, mis on võrreldav klaasiga. Veelgi enam, siidi saab töödelda mikro- ja nanoskaalal, et see sisaldaks pisikesi geomeetrilisi mustreid, mis on loodud valgusega suhtlemiseks.

Epifaania pani Omenetto uurimistöö käima. 'Hakkasime mõtlema, et kui saaksime bioloogilisi asju segada, saaksime sellest väga ebatavalisi optilisi seadmeid,' ütleb ta.

Mõni aasta tagasi töötas Omenetto laboris välja siidipõhise optilise seadme suurepärase näite: sisuliselt pisikeste peeglite leht – mida nimetatakse ka mikroprisma massiivideks –, mis on loodud täielikult implanteeritavaks ja kehasse resorbeeruvaks. Peeglid on valmistatud täielikult siidist fibroiinist, mis on valatud kaubanduslikul helkurmaterjalil põhinevasse vormi. Kui neile paistab valgus, peegeldavad seda mikromõõtmelised geomeetrilised mustrid nagu stoppmärk.

Aruandlus sisse Proceedings of the National Academy of Sciences ( PNAS ) 2012. aastal demonstreeris Omenetto meeskond nende mikroprismamassiivide jaoks mitmeid võimalikke biomeditsiiniliste kasutusvõimalusi. Ühes in vitro katses kasutasid nad imitatsioonikudet (nn fantoomid), et näidata, kuidas seade võib kudede kujutist parandada. Teoreetilise näitena on idee selles, et kui peeglid implanteeriti kehasse kasvaja alla ja lähi-infrapunavalgus paistaks sellele alale, peegeldaksid need valgust viisil, mis tekitaks kasvu suuruse mõõtmiseks vajaliku kontrasti.

Teises katsekomplektis laadisid teadlased siidfibroiini lahust doksorubitsiini nimelise vähivastase ravimiga ja vormisid seejärel peegliteks. Kui nad in vitro prismad ensüümidega kokku puutusid, lagunesid peeglid ja nende peegeldatud valgus vähenes. Valguse peegelduvuse muutust jälgides leidsid nad, et nad saavad hinnata ravimi vabanemise kiirust.

Kuigi peeglid on kontseptsiooni tõestuseks, tasub nende potentsiaalseid rakendusi siiski kaaluda, ütles raamatu juhtivautor Tiger Tao. PNAS paber ja endine postdoktor ja teadur Omenetto laboris. Kui keegi põeb näiteks lokaliseeritud kasvajat, on sihipärase ravi teostamine ja ravimite vabanemise jälgimine ülioluline, sest 'vähki hävitavad ravimid on väga vastikud,' ütleb Tao. 'Peate veenduma, et ravim vabaneb õigel kiirusel, nii et see tapab enamasti kasvajaid, mitte ümbritsevaid häid kudesid.'

Lisaks, erinevalt paljudest tänapäeval saadaolevatest ravimitest, mida tuleb hoida külmkapis, on siid toatemperatuuril märkimisväärselt stabiilne, isegi kui see on ravimitega legeeritud. 'Kõik need aspektid koos muudavad selle lihtsa [peegli] seadme funktsionaalsemaks, ' ütleb Tao.

Osana nende lisamispüüdlustest siidifibriini tehnoloogilist funktsiooni, on Omenetto ja tema meeskond viimasel ajal uurinud siidi võimet elektroonikaga liidestada.

'Seal on tärkav idee võtta biomaterjalid ja polümeerid, mida tavaliselt kasutatakse ühes kontekstis, ja seejärel anda neile mingi huvitav elektrooniline funktsionaalsus,' ütleb Carnegie Melloni ülikooli materjaliteaduse ja biomeditsiinitehnika abiprofessor Christopher Bettinger, kes on tuttav. tööga Tuftsis (ta oli ka kaasautor a paber koos Kaplaniga).

Siidipõhise elektroonikaseadme puhul on võti selles, et „elektroonilised materjalid, nagu siid, peavad olema bioühilduvad ja bioresorbeeruvad,” ütleb Illinoisi ülikooli materjaliteaduse ja inseneriteaduse professor John A. Rogers. Urbana-Champaignis, kes on töötanud koos Omenetto ja Kaplaniga mitme projekti kallal. Vastasel juhul 'te vajate teist operatsiooni, et siseneda ja riistvara välja püüda.'

Sel eesmärgil tegi meeskond, kuhu kuulusid Rogers ja Omenetto, möödunud novembris edusamme, kui nad teatasid traadita kaugjuhitava siidipõhise seadme väljatöötamisest, mida nimetatakse magneesiumsoojendiks ja mis on mõeldud lokaalse bakteriaalse infektsiooni tapmiseks.

'See oli tegelikult esimene [in vivo] implanteeritava seadme demonstratsioon, mis võib täielikult laguneda kontrollitava elueaga ja millel oli ka tegelik funktsionaalsus,' ütleb Tao, samuti uuringu juhtiv autor. see uuring , avaldatud aastal PNAS . (Vaata diagrammi siin .)

Ligikaudu veerand postmargi suurusest leiutis koosneb õhukestest läbipaistvatest siidkiledest, mis on asetatud labürintina näiva objekti ümber – sellised, mida laps võib tegevusraamatus lahendada, ainult pisike. Tegelikult koosneb 'labürint' serpentiintakistist ja magneesiumist, mis on keha jaoks vajalik ioon, valmistatud energiat vastuvõtvast mähist. Kuna magneesium laguneb eluskoes üsna kiiresti, toimib siid kaitsekilbina, mis on loodud aeglasemalt lagunema.

Selle kasulikkuse demonstreerimiseks sisestasid teadlased seadme nakatunud hiirte naha alla Staphylococcus aureus . Kaugjuhtimispuldi abil andsid nad magneesiumispiraalile signaali takisti soojendamiseks, mis omakorda tappis bakterid. Meeskond proovis ka siidifibriini dopingut ravimiga, nagu peeglite puhul. Nad leidsid, et in vitro käivitas soojuse kohaletoimetamine ravimite vabanemise ja hävitas bakterid.

'Visioon [selle seadme jaoks] oleks see, et te ei pea regulaarselt tablette võtma,' ütleb Rogers. 'Selle asemel on kõik vajalikud ravimid sellesse platvormi sisse ehitatud ja seejärel vajutate lihtsalt juhtmevaba päästikule, et need ravimid vabastada.'

Lisaks, kuna seade töötab kohalikul tasandil, võidakse see sisestada kirurgilistesse sisselõigetesse enne nende õmblemist. 'Tõenäoliselt on 10–15 protsenti patsientidest, kes kannatavad selle operatsioonijärgse bakteriaalse infektsiooni all, ' ütleb Tao.

Rogersi sõnul arendavad teadlased praegu seda tööd ja on esitanud veel ühe dokumendi, mis loodetavasti ilmub sel suvel. Kuigi lõppkokkuvõttes kuluks umbes seitse aastat, enne kui selline seade nagu küttekehad turule jõuaks, on kontseptsioonil mõned punktid selle kasuks, ütleb Rogers.

Näiteks, nagu siid õmbluste kujul, on meeskonna kasutatud antibiootikumid juba FDA poolt heaks kiidetud. 'Asjaolu, et neid materjale on kasutatud teist tüüpi implantaatide jaoks, annab kindlustunde, et meie kasutatavate materjalidega ei ole sisemisi biosobivuse probleeme,' ütleb ta. 'Seda asju on raske ennustada, kuid ma arvan, et oleme teinud mõistlikud valikud.'

Muidugi kaasneb hüppega laboripingilt voodi kõrvale ka muid takistusi. Mõned kirurgid ei pruugi näha vajadust eluskoes lahustuva seadme järele, ütleb Bettinger, ja 'mõnes mõttes on need kliendid, keda tuleks sellise uue tehnoloogia kasutamiseks kõigepealt veenda.'

On ahvatlev ette kujutada siidfibroiini imematerjalina ja paljuski nii see on. Omenetto poolt ei peaks rõhk olema siidil iseenesest, vaid püüdlustel muuta looduslikult saadud materjale tehnoloogilise funktsiooniga ja vähese keskkonnamõjuga „nutikateks” toodeteks, olgu need siis biomeditsiinilised või elustiilist (mõelge, kantav elektroonika) ). 'Siid on kindlasti vabandus. [Kuid] ma arvan, et see on suurem kui see, ”ütleb ta.

'Ma arvan, et nende materjalide kombineerimisel tehnoloogiliste rakenduste jaoks või järgmise põlvkonna bioplastide jaoks ja spetsiifiliste liidestega mikro- ja nanotasandil, mis toovad kaasa tehnoloogia ja bioloogiat koos,” räägib Omenetto.

Näiteks arendab Bettinger akutoitega allaneelatavat raviseadet, mis koosneb looduslikest polümeeridest, sealhulgas suhkrutest ja rasvadest ning isegi kaneeli vürtsist. Omenetto enda labor on uurinud kitse kašmiiri, mis sisaldab keratiini, teist biopolümeeri, millel on siidi ees eelised, kuna see sobib paremini mõne metalliga.

Sellegipoolest on siiditee pikk, avastamiseks on jäänud kilomeetreid. 'Mõelge, kuidas kõiki neid [siidi] vorme saab tugevdada kerge dopinguga, vilkuvate, elavate, hapnikku siduvate, paranevate asjade ja muu lihtsa segamisega,' ütleb Omenetto. 'Tehnoloogia kokaraamat on väga ulatuslik.'

*Seda artiklit värskendati 12. juunil 2015, et kajastada järgmisi muudatusi: Siidfibroiini valmistamisel peab see läbima ka dialüüsi ja tsentrifuugis aega, et muutuda kasutatavaks vesilahuseks. Algselt mainitud mee varjundiga viskoosne lahus on see, kuidas fibroiin soolalahuses ilmub. Samuti väitis varasem versioon, et magneesiumsoojendi katses oli ravimi vabanemiseks vajalik väiksem kogus soojust kui siis, kui siid ei olnud ravimitega legeeritud. See oli võrreldav kuumus.