XCOD.INFO

Рак лёгких (иллюстрация Art-Apple.ru).

Сотрудники Университета Миннесоты (США) создали искусственные (или, как их называют авторы исследования, биоискусственные) лёгкие.

Учёные лишили клеток лёгкие умершей взрослой мыши, а затем наполнили «обесклеточенную» (decellularized) матрицу стволовыми клетками, извлечёнными из мышиного эмбриона. После семи дней хранения в инкубаторе в лёгких стали вырабатываться правильные белки, и орган начал дышать с помощью крошечного импровизированного вентилятора.

«Трансплантация лёгких — зачастую единственный способ выжить для пациентов с необратимыми изменениями, вызываемыми раком, хронической обструктивной болезнью лёгких, эмфиземой, идиопатическим лёгочным фиброзом, болезнью Айерсы и муковисцидозом, — поясняет руководитель научной группы Анжела Паноскалтсис-Мортари, адъюнкт-профессор педиатрии и пульмонологии. — Дефицит донорских органов и отторжение тканей, однако, резко сокращают шансы на успешную операцию».

Разработка методов клеточной терапии при лёгочных заболеваниях ведётся давно, но до сих пор никому не удалось заставить стволовые клетки проявить в лёгких свои регенеративные и восстановительные способности на должном уровне. Г-жа Мортари и её коллеги первыми создали из лёгочной ткани своеобразный бесклеточный биореактор, который сохраняет всю сложнейшую структуру лёгких, подсказывающую стволовым клеткам, как себя вести и во что превращаться.

Лёгочные заболевания — самая распространённая причина смерти в США. От них погибают около 400 тыс. человек в год.

Исследование и его авторы:

Напомним также, что недавно в Йельском университете проведены успешные испытания искусственно выращенных лёгких.

Результаты исследования опубликованы в журнале Tissue Engineering.

Подготовлено по материалам Университета Миннесоты.

Источник: Новости Компьюленты (www.compulenta.ru)

Поскольку новые чипы прозрачны, исследователи могут легко наблюдать под микроскопом за различными реакциями живой ткани на внешние раздражители, чего затруднительно достичь в случае работы с настоящим модельным организмом и тем более – с человеком (фото Felice Frankel).

Отчасти живой чип, воспроизводящий на клеточном уровне функции органа дыхания человека, откроет новую главу в биомедицинских исследованиях и фармацевтике. Так считают его авторы — Дональд Ингбер (Donald Ingber), директор института бионики Вайса, его коллеги по учреждению, а также учёные из медицинской школы Гарварда (Harvard Medical School) и Бостонского детского госпиталя (Children’s Hospital Boston).

Ключевой элемент лёгких – это трёхслойная мембрана в альвеолах. Она обеспечивает не только газообмен, но и ряд других функций вроде активации иммунной системы. Состоит такая мембрана из клеток лёгких, проницаемого внеклеточного матрикса и клеток кровеносных капилляров. Именно этот “интерфейс” и воспроизвели исследователи внутри микроканального чипа.

В роли матрикса выступила тончайшая резиновая мембрана с множеством микроскопических отверстий. По обе стороны от неё учёные поместили живые человеческие клетки, соответственно капиллярные и клетки лёгких. Со стороны последних вакуумный насос имитировал цикл дыхания, а с противоположной стороны чипа учёные пропускали жидкость, имитирующую кровоток.

Со стороны клеток лёгких учёные ввели бактерии E. coli, а со стороны искусственных капилляров — белые клетки крови. Клетки лёгких обнаружили бактерии, через пористую мембрану они активировали клетки сосудов, которые, в свою очередь, вызвали иммунный ответ. Так белые клетки крови перешли к воздушной камере и уничтожили бактерии.

Так обнаружилось, что механический процесс дыхания увеличивает поглощение таких частиц стенками лёгких и многие из частиц переходят из воздушного канала в кровь. Некоторые частицы вызвали у живых клеток в приборе перепроизводство свободных радикалов и воспаление. Ранее такие эффекты исследователи могли наблюдать лишь на лабораторных животных (иллюстрация Wyss Institute for Biologically Inspired Engineering).

Создатели чипа уверяют, что проверка воздействия на лёгкие человека токсинов или, напротив, лекарств с новым чипом окажется более быстрой и менее дорогой, нежели с прежними методами. В планах: испытание нового чипа на газообмен между кровью и воздухом, а также создание аналогичных чипов — имитаторов кишечника и костного мозга. Позднее учёные попробуют объединить несколько таких устройств, сделав шаг к модельному “организму на чипе”.

Материал предоставлен интернет-журналом MEMBRANA (www.membrana.ru)

Инженеры из Питтсбургского университета сообщили о разработке еще одного занятного интерфейса “мозг-машина”. Здесь был создан робот-манипулятор, работа которого управлялась живой обезьяной, точнее ее мозгом, еще точнее - ее мозговыми импульсами. За счет этих импульсов робот-манипулятор выполнял разнообразные действия.

Инженеры говорят, что их разработка не является уникальной в своем роде, но их робот - это первый манипулятор с целыми семью степенями свободы, который обрабатывает мозговые сигналы и воспроизводит их в точных движениях. Кроме того, приемное устройство, представляющее собой сеть датчиков, размещаемых на голове обезьяны, также представляет собой сложнейшее на сегодня устройство для снятия мозговых импульсов.

В Питтсбурге говорят, что сейчас подобные разработки носят только теоретический характер, но в будущем на основе интерфейсов “мозг-машина” можно будет создавать автоматизированные системы для помощи инвалидам, людям, выполняющими тяжелый физический труд или операторам производственных циклов.

Профессор неврологии Эндрю Шварц рассказывает, что уже сейчас его команде удалось создать ранее недоступный метод очень точного снятия мозговых импульсов и систему трансляции в движения. По его словам, в ближайшее время в университете начнутся работы над новым и значительно более сложным манипулятором.

Саму возможность создания логического вентиля из генома, который будет так функционировать, описали в своей статье ещё в прошлом году японские специалисты (иллюстрация RSC Publisning).

Учёные из университета Иерусалима (HU) представили логический вентиль, созданный на основе молекул ДНК. Теоретическое применение такого устройства – работа внутри тела и регулирование выделения лекарств. Препарат с таким “устройством” будет освобождаться только там, где это нужно.

Логический вентиль – это базовый элемент цифровой схемы, он выдает тот или иной сигнал на выходе в зависимости от входных сигналов. В нынешнем механизме последовательно работающие вентили выполняли различные логические функции.

В роли ключевых элементов системы выступили комплиментарные нити ДНК (нити определённых последовательностей, подходящие друг к другу). Каждая из них представляла значение 1 (если присутствовала), и 0 (если отсутствовала).

Для непосредственного наблюдения сигнала, который нити демонстрируют на входе, израильские специалисты маркировали их флуоресцирующими молекулами, работающими только если каждая из ДНК присутствует в пробирке в одиночку. А когда на входе было две нити, они соединялись и их свечение гасилось. Таким образом получилась функция исключающего ИЛИ: выходной сигнал равен 1, только если на вход поступает один из двух исходных сигналов, но не тогда, когда они имеются оба или оба отсутствуют.

Практическое применение новинки для медицины было продемонстрировано сразу же: учёные связали логический вентиль с молекулой, инактивирующей тромбин – фермент, “сворачивающий” кровь. Также авторы считают, что развитие их работы может привести к созданию ДНК-компьютера, выполняющего элементарные арифметические операции.

Статья учёных опубликована в Nature Nanotechnology. Напомним, в Израиле несколько лет назад уже был создан ДНК-механизм, вошедший в книгу рекордов Гиннесса. Читайте также про ДНК-компьютер, обыгрывающий человека в крестики-нолики, и эксперимент с генетическими ключами и “ДНК-шкатулками”.

Ученым удалось восстановить недостающие мозгу нейроны из клеток другого класса, имеющихся в мозговой ткани, но не выполняющих нейронных функций, что поможет в будущем разработать методики лечения нейродегенеративных заболеваний, сообщается в статье исследователей, принятой к печати в журнале PLoS ONE. Разработка направлена на поиск путей борьбы с такими болезнями, как болезнь Альцгеймера, Паркинсона, рассеянным склерозом и другими.

В своей работе группа исследователей под руководством профессора Магдалены Гётц из Исследовательского центра имени Гельмгольца в Мюнхене сумела показать, что образование новых функционально полноценных нейронов в мозге возможно под действием специфических белковых молекул на так называемые нейроглии - вспомогательные клетки, которые окружают нейроны и выполняют метаболические функции, обеспечивая тем самым работу нейронов, сообщает РИА Новости.

Речь идет о так называемых “астроцитах” - одном из классов нейроглий, имеющих звездоподобную форму. Эти клетки, кроме прочего, выполняют еще и роль каркаса, удерживающего на себе нервную ткань. Ученые использовали то обстоятельство, что по своим свойствам эти астроциты похожи на клетки-сателлиты (радиальные глии), которые выполняют роль предшественников нейронов в ходе эмбрионального развития головного мозга. Трансформация сателлитов в нейроны происходит и во взрослом возрасте, однако очень ограниченно и только в отдельных участках головного мозга.

Исследователи в своей работе впервые показали, что астроциты также могут быть напрямую преобразованы в нейроны коры головного мозга под действием специфических белковых молекул, регулирующих работу клеточных ДНК.

В экспериментах с мышами ученые продемонстрировали, что адресная доставка этих белковых молекул в астроциты с помощью безвредных вирусов приводит к образованию возбуждающих или тормозных нейронов. Результат трансформации определяется типом действующего белка - нейрогенина-2 в первом случае и Dlx2 во втором.

В статье подчеркивается, что производство новых нервных клеток с помощью данных белков возможно не только в случае молодых астроцитов, но и взрослых клеток, имеющихся в зрелом мозге.

“Наши данные питают надежду, что барьер, отделяющий астроциты от нормальных нервных клеток - близких по своим свойствам - не является непреодолимым”, - сказал доктор Бенедикт Бернинджер соавтор публикации из Мюнхенского университета Людвига-Максимилиана, слова которого приводит пресс-служба журнала.

Ученые намерены расширить набор нейронов в дальнейших исследованиях, производимых из вспомогательных клеток мозга, и приблизиться тем самым к разработке методик лечения тяжелых нейродегенеративных заболеваний.

Фото Francis r. Malasig / epa / Corbis.

Американские учёные изобрели искусственную кровь.

Поскольку человечество всё ещё воюет, а раненые, спасибо современной медицине, скорее выживают, чем отправляются на тот свет, военное здравоохранение испытывает нехватку множества вещей, но прежде всего крови. Недостаток последней, быть может, не так заметен в центральных госпиталях, но только не в местах ведения боевых действий, удалённых от цивилизации на тысячи километров.

В 2008 году Агентство по перспективным оборонным научно-исследовательским разработкам США (DARPA) приступило к осуществлению программы Blood Pharming, имея в виду освоить производство больших объёмов так называемых универсальных донорских комплектов с помощью компактных автономных систем. Под «фармингом» здесь понимается процесс генетической модификации животных или растений для получения «товарных» количеств медицински полезных веществ — к примеру, гормонов или антител.

И вот биотехнологическая компания Arteriocyte, получившая грант в размере $1,95 млн, отправила первую партию искусственной крови на утверждение в Управление по надзору за пищевыми продуктами и лекарственными препаратами США.

Кровезаменитель получен с использованием гемопоэтических клеток, выделенных из пуповинной крови эмбрионов. У учёных Arteriocyte уходит три дня на то, чтобы превратить одну единицу пуповинной крови в 20 единиц донорской. Бойцу для лечения в среднем требуется 6 единиц.

«Мы в основном имитируем деятельность костного мозга в лабораторных условиях, — говорит генеральный директор компании Дон Браун. — Модель работает, но нам необходимо экстраполировать наши возможности, чтобы выйти на промышленный масштаб».

Несмотря на то что DARPA задумывала проект ради компенсации кровенедостачи, г-н Браун, чья компания использует технологию, созданную в Университете Джонса Хопкинса, считает, что результаты исследования выходят далеко за эти рамки. Поскольку львиная доля донорской крови, используемой в военных целях, сдаётся на территории США, то к тому моменту, когда она попадает на поле боя, обычно проходит три недели. Срок годности донорской крови остаётся дискуссионным вопросом. Красный Крест отказывается от крови после 42 дней, но некоторые медицинские эксперты считают, что свежая кровь «портится» уже через 28 дней. Иные же видят повышенный риск инфекции и полиорганной недостаточности, если возраст крови превышает две недели. «До сих пор военные в основном ограничивались использованием старой крови», — подчёркивает Дон Браун.

Одна единица искусственной крови оценивается в $5 тыс. DARPA считает, что необходимо снизить стоимость производства хотя бы до тысячи.

Практическое применение новинки ожидается не ранее 2013 года.

Напомним, что в качестве кровезаменителей, основная функция которых — перенос кислорода, сейчас используются: искусственный гемоглобин, изобретение немецких фармацевтов, использующих в качестве сырья кровь коров; альбумин — созданная японскими учёными искусственная кровь на основе белковых соединений; наконец, заменитель, созданный в Швеции на основе порошка, выделенного из натуральной человеческой крови.

Подготовлено по материалам Wired.

Сотрудники Тихоокеанской Северо-Западной национальной лаборатории и Принстонского университета (США) продемонстрировали возможность создания биосенсора высокой точности и надёжности с использованием однослойного графена и находящейся в связи с ним однонитевой ДНК.

Падение интенсивности флуоресценции ДНК при добавлении графена (иллюстрация авторов работы).

Датчик будет работать по следующей схеме: сначала к графену прикрепляется фрагмент ДНК, соответствующий гену, который способствует развитию определённой болезни, после чего сборка помещается в подготовленный образец крови, слюны или другой жидкости. Если искомая ДНК «клюнет» на приманку, сенсор даст сигнал, регистрируемый системой обнаружения.

Практическую проверку этой схемы авторы начали с присоединения к ДНК молекулы, которая флуоресцирует, если ДНК находится в свободном состоянии. При добавлении графена интенсивность флуоресценции однонитевой ДНК резко снижалась, тогда как параметры свечения двухцепочечной ДНК практически не изменились. Спектроскопические исследования показали, что однонитевый вариант действительно гораздо активнее взаимодействует с графеном.

После этого учёные добавили в пробирку, содержащую обработанный графен, однонитевую ДНК с комплементарной последовательностью оснований — и обнаружили, что интенсивность флуоресценции исходной ДНК восстановилась. Следовательно, нити объединялись, и новые молекулы отделялись от поверхности графена.

Точность срабатывания такого датчика очень высока: при изменении всего одного основания в комплементарной последовательности и добавлении такой ДНК в пробирку интенсивность флуоресценции также повышалась, но доходила лишь до половины того значения интенсивности, которое даёт «идеальная» комплементарная последовательность.

Кроме того, графен продемонстрировал способность защищать ДНК от воздействия разрушающего её фермента (дезоксирибонуклеазы). В эксперименте однонитевые ДНК, связанные с графеном и помещённые в пробирку с дезоксирибонуклеазой, сохраняли целостность в течение как минимум 60 минут.

«Простота конструкции датчика и его надёжность позволяют надеяться на то, что наша разработка когда-нибудь будет использоваться для диагностирования болезней, — резюмирует один из авторов работы Юэхэ Линь (Yuehe Lin). — Сейчас мы собираемся выяснить, нельзя ли найти применение защитным свойствам графена в генной терапии».

Полная версия отчёта будет опубликована в журнале Small.

Подготовлено по материалам Тихоокеанской Северо-Западной национальной лаборатории.

Израильские ученые создали молекулярный компьютер, который использует биологические ферменты для произведения подсчетов. Итамар Виллнер, сконструировавший молекулярный калькулятор со своими коллегами из Университета города Иерусалим, полагает, что компьютеры, работающие на ферментах, уже в ближайшем будущем будут вживлять в человеческий организм.

Ученые создали компьютер, используя два фермента для запуска двух цепных химических реакций – глюкозу дегидрогеназу (glucose dehydrogenase, GDH) и пероксидаз из обычного хрена (horseradish peroxidase, HRP). Два химических компонента – перекись водорода и глюкоза – использовались в качестве вводных (А и В). Присутствие каждого из химических веществ соответствовало единице в двоичной системе счисления, а отсутствие, соответственно, нулю. Химический результат, получаемый при реакции ферментов, определялся оптически.

Ферментный компьютер использовали для проведения двух фундаментальных логических вычислений – AND (где A и B должны быть равными единице) и XOR (где A и B должны иметь отличные друг от друга значения). Добавление еще двух ферментов – глюкозооксидазы (glucose oxidase) и каталазы (catalase) – связало две логические операции, дав возможность сложить двоичные числа, используя простые логические функции.

На сегодняшний день ферменты уже используют для вычислений. Для этих целей применяются специально закодированные молекулы ДНК. Такие ДНК-компьютеры потенциально должны превзойти по скорости и производительности распространенные сейчас кремниевые компьютеры, поскольку могут осуществлять множество параллельных вычислений и содержать огромное количество компонентов в микроскопическом пространстве.

Однако Виллнер утверждает, что ферментный компьютер создан не ради скорости: для вычисления ему может потребоваться несколько минут. Скорее всего, он будет встраиваться в биосенсорное оборудование и использоваться для мониторинга и корректировки реакции пациента на определенные дозировки препарата. «Это компьютер, который можно интегрировать в человеческий организм, – рассказал Виллнер, – Нам кажется, что ферментный компьютер, введенный в тело пациента, можно использовать для вычисления пути метаболизма».

Мартин Амос, представляющий британский Университет Эксетера, также считает такие устройства очень перспективными. «Разработка простых приборов вроде счетчиков необходима для успешного создания биомолекулярных компьютеров, – сказал он. – Если такие счетчики встроить в живые клетки, мы можем представить себе, что они играют роль самообучаемых приложений, например, доставки лекарств, когда терапевтический узел создается именно там, где возникает проблема, – говорит Амос, – Счетчики также обеспечивают биологический «предохранительный клапан», не дающий клеткам бесконтрольно размножаться и развиваться».

Между тем и разработки кремниевых компьютеров не стоят на месте. И если одни ученые уменьшают размеры устройства до молекулы и помещают его внутрь организма, другие – создают суперкомпьютер, память которого сможет вместить весь объем человеческого мозга. В 2050 году появится возможность «скачать» все содержимое человеческого мозга в один суперкомпьютер, что позволит сознанию пережить смерть тела: «Смерть больше не будет проблемой», – утверждает Ян Пирсон, глава департамента футурологии British Telecom.

Пирсон в течение 20 лет работает в сфере оптических волокон, кибернетики и развития сети широкого диапазона в лабораториях British Telecom. Согласно его прогнозам, приблизительно к 2020 году можно будет создавать суперумные компьютеры, снабженные «сознанием» и способные проявлять эмоции.

Приложение напряжения к подложке вызывает деформацию и поворот химических связей в “кирпичике” нового компьютера, что меняет свойства такой ячейки (иллюстрация Anirban Bandyopadhyay et al./Nature Physics).

Умное распределение химических связей, их влияние на проводимость образца в разных точках и переключение состояний отдельных атомов вполне можно использовать как основу вычислительной системы.

Такой тезис экспериментально подтвердили учёные из Мичиганского технологического университета (Michigan Technological University), а также японских национальных институтов материаловедения (NIMS) и информационных и коммуникационных технологий (NICT). Они построили работоспособный прототип молекулярного компьютера с массовым параллелизмом.

Новая система способна одновременно менять и считывать состояние около 300 бит. По своему принципу, объясняют авторы новинки, такой процессор больше сходен не с суперкомпьютерами, содержащими множество чипов, а с мозгом, в котором гигантское число связей между миллиардами нейронов обеспечивают параллелизм, какой кремниевым монстрам и не снился.

В основе этого вычислительного устройства — молекула 2,3-дихлоро-5,6-дициано-1,4-бензохинона (DDQ) — её схема показана на рисунке под заголовком. Энное число DDQ учёные выложили в два мономолекулярных слоя на золотой подложке. Связанные между собой строго определённым образом, эти молекулы образовали логические переключатели, состоянием которых можно управлять.

Авторы убедились на опыте, что молекулярный слой может выполнять цифровые логические операции и что с его помощью можно вычислять диаграммы Вороного, моделировать диффузию тепла и рост раковой опухоли. (Детали — в статье в Nature Physics.) Кроме того, исследователи продемонстрировали, что слой DDQ умеет самозалечиваться после возникновения дефекта. На такой фокус ни один традиционный компьютер не способен, зато опять прослеживается аналогия с живым мозгом.

Читайте также о белковых процессорах, оптическом “параллельном” чипе, ДНК-компьютере и квантовом чипе на сто миллиардов спинов.