XCOD.INFO

Несколько простейших чипов, созданных для экспериментального внедрения в клетки. Масштабная линейка – 3 микрометра (фото Wiley-VCH Verlag).

Простейшие образцы чипов способны интегрироваться в биологическую клетку, не нарушая её естественную работу. Яркий опыт провели учёные из Национального центра микроэлектроники (IMB-CNM).

Ранее при “скрещивании” чипов и клеток речь шла либо о подключении электроники к набору нейронов при помощи электродов, либо о выращивании клеточных культур на поверхности микросхем и их последующем взаимодействии. Теперь экспериментаторы перевернули прежние подходы с ног на голову: поместили чипы внутрь клеток.

В качестве подопытных были взяты клетки слизевика-диктиостелиума (Dictyostelium discoideum), одного из распространённых модельных организмов в клеточной биологии, а также человеческие клетки HeLa, нередко используемые в биомедицинских исследованиях.

Команда построила несколько чипов из поликристаллического кремния поперечником от 1,5 до 3 микрометров и толщиной 0,5 мкм. При первых инъекциях таких объектов в клетки процент выживаемости последних был невысок.

Тогда учёные применили липофекцию (lipofection) — вставку чужеродного материала при помощи капсулирования “посылки” в липосоме (липидном пузырьке). Это в корне поменяло ситуацию. Даже через семь дней после вживления чипов более 90% клеток из культуры HeLa оставались в полном порядке.

Чтобы убедиться, что с целью вставки можно изготавливать и более сложные чипы, авторы поэкспериментировали с интеграцией в “датчики” различных материалов и с построением на их поверхности трёхмерных структур при помощи фокусированного ионного луча. (Детали опытов испанских учёных можно найти в статье в издании Small и новости в журнале Nanowerk.)

Ранее исследователи проводили эксперименты по внедрению в клетки различных микро- и наночастиц, например с целью доставки лекарств, но кремниевые чипы, созданные при помощи традиционной фотолитографии, обладают рядом преимуществ: их можно изготавливать с очень высокой точностью, они могут нести толику логических схем и даже микроэлектромеханические компоненты. (Читайте также про RFID-порошок)

В нескольких японских больницах начались клинические испытания новой технологии, которая позволяет создавать кости буквально на заказ. Технология позволяет создавать костную ткань, близкую по составу и особенностям реальным костям пациентов. Для создания “кости на заказ” пациенту лишь необходимо иметь при себе носитель с цифровым файлом, где будут описаны некоторые данные о пациенте, необходимые для создания материала.

Создание готовой кости занимает всего несколько часов, поэтому в случае серьезных телесных повреждений имплантировать новую кость можно будет прямо на том же операционном столе, куда был доставлен пациент с травмой.

До сих пор для костной трансплантации использовались либо настоящие человеческие кости, либо керамические протезы. Японская разработка использует в качестве основного материала порошок из фосфата кальция. Именно фосфат кальция в реальных костях является основным материалом.

Перед тем, как изготавливать искусственную кость медикам будет нужно сделать рентгеновский снимок и томограмму поврежденного участка, чтобы в дальнейшем система изготовления костной ткани могла в точности воспроизвести размеры и форму поврежденной кости. Сообщается, что технология производства способна производить кости довольно замысловатой формы, например, челюсти или фрагменты черепа. Минимальная толщина искусственной кости составляет 1 мм, что более чем достаточно для подавляющего большинства костей в организме.

По словам хирурга-ортопеда Высшей медицинской школы при Университете Токио Цуеси Такато, искусственные кости могут быть использованы не только в случае вынужденной замены, но и в пластической хирургии.

Единственным минусом новой технологии в том, что она не учитывает одну особенность природных костей. Все изготавливаемые кости имеют одинаковую плoтность и вес в расчете на куб см. В организме человека все несколько по-другому. Например, кости ног вынуждены держать на себе вес всего тела, поэтому они самые плотные и тяжелые, а вот кости, например, в пальцах состоят из менее плотных и не столь тяжелых структур.

С химической точки зрения, искусственные кости состоят из фосфата кальция и специального укрепляющего раствора на основе дистиллированной воды. Производство костей выполняется на специальной установке, наподобие 3D-принтера, а управляет процессом обычный компьютер со специальным программным обеспечением. Во время производства кости как бы печатаются - слой за слоем. Толщина одного слоя составляет 1 мм.

Клинические испытания технологии продлятся ближайшие два года, а в случае успеха, через 3-4 года в больницах появятся промышленные образцы такого оборудования.

Профессор Такато говорит, что основные пользователи их разработки - это люди “за 40″, так как в более раннем возрасте организм в случае не слишком серьезных повреждений способен и сам сращивать кости. После 40 в организме медленно начинается процесс вымывания кальция и костные процессы замедляются, а сами кости становятся более хрупкими.

Выращивать клетки человеческого тела, левитирующие в магнитном поле, научились американские медики. Для этого им потребовалось собрать воедино несколько созданных ранее технологий. Новая методика призвана облегчить тестирование лекарств и изучение раковых опухолей, так как, по мнению учёных, помогает клеткам “почувствовать себя как дома”.

Метод управления клетками живого организма, подвешенными в жидкости при помощи магнитного поля, разработали биологи из университета Райса (Rice University) и онкологического центра Андерсона при университете Техаса (M. D. Anderson Cancer Center).

Как ни крути (в прямом и переносном смысле слова), а печень, сердце и даже отдельные ткани в чашке Петри не вырастишь. Потому что плоская она, а в таких условиях биологический материал ведёт себя неадекватно, не соответствуют наблюдаемые явления тем, что происходят внутри тела.

Dark field microscopy). Масштабная линейка – два микрометра (фото Nature Nanomaterials).

Вот и стараются учёные создать трёхмерную матрицу для тканей и органов, изобретая разнообразные объёмные чашки Петри . Нынешняя работа продолжила это направление.

Глауко Соудза (Glauco Souza) и его коллеги попробовали расположить клетки в трёхмерном пространстве без каких-либо подручных приспособлений и микроскопических лесов. Они подняли клетки со дна сосуда при помощи магнитного поля (но не так, как в случае с мышами).

Для этого учёные изготовили гидрогель на основе полимера, который содержал наночастицы золота диаметром 50±8 нанометров и специально созданные вирусы — фаги. Считается, что они поражают бактерии, но безопасны для клеток млекопитающих.

Эти “наночелноки”, которые американские биологи именуют Au-phage-MIO, способны доставлять в клетки и органы специфические грузы. В данном случае такой полезной нагрузкой стали наночастицы магнетита (Fe₃O₄, диаметром 10-100 нм).

После того как в гель были добавлены живые клетки, фаги заставили магнитные частицы внедриться внутрь них. На это ушло несколько часов. Затем гель удалили, культуру тщательно промыли, и далее начались эксперименты с использованием магнитного поля.

Выяснилось: чтобы клетки начали левитировать и образовывать трёхмерную суспензию в питательной жидкости, достаточно приложить слабое поле. В пресс-релизе университета Райса упоминается, что использованный магнит был сопоставим по размерам с монетой.

В таком подвешенном положении клетки могут жить и размножаться, распространяясь во все стороны, – это для них более естественно, чем обитание на плоском дне чашки. Значит, в лабораторных условиях они и функционировать будут так же, как в живой природе.

Для проверки этого предположения медики провели следующий эксперимент: они взяли глиобластомы (раковые клетки опухоли, образовавшиеся в мозге человека) и провели с ними все вышеописанные манипуляции.

Глиобластомы “проросли” в трёхмерной среде (через 72 часа образовались сферы диаметром один миллиметр) и начали производить те же белки, что и в организме мыши. При этом в предыдущих опытах в плоских чашках ничего подобного с раковыми клетками не происходило (подробности – в статье авторов разработки в журнале Nature Nanotechnology).

Передвигая магнит и изменяя напряжённость магнитного поля, биологи научились варьировать форму “мячиков” из клеток. Это может пригодиться в будущем при создании тканей разных типов. Скажем, кожа и нервные волокна растут по-разному, значит, и “вытягивать” их надо непохожими способами.

внеклеточный матрикс; также 7 дней спустя, в оболочке сфер почти не осталось наночастиц. Масштабная линейка – 5 микрометров (фото Nature Nanomaterials).

“Прелесть этого метода в том, что он даёт клеткам возможность взаимодействовать между собой, строить трёхмерную структуру из микротканей. Простота технологии позволяет использовать её любой лаборатории, которая только-только начинает заниматься выращиванием пространственных культур клеток, любой научной группе, заинтересованной в изучении стволовых клеток. Метод можно применять в регенеративной медицине и биотехнологиях, а также испытании лекарств”, — говорит один из исследователей Роберт Рафаэль (Robert Raphael).

Американские учёные мечтают, что рано или поздно при содействии их технологии будут выращиваться ткани для трансплантации и даже целые человеческие органы. Но пока основным применением новинки, скорее всего, действительно станет тестирование лекарственных препаратов и методов лечения злокачественных опухолей.

“Культуры, растущие в трёхмерном пространстве, больше похожи на настоящие ткани тела, соответственно, они предоставляют более достоверные результаты доклинических испытаний лекарств, — рассказывает ещё один автор работы Том Киллиан (Tom Killian). — Между тем, если вам удастся улучшить точность ранней процедуры проверки лекарств хотя бы на 10%, вы сэкономите сотни миллионов долларов на каждом препарате”.

Ещё один плюс нового метода – скорость. “Магнитные силы заставляют частицы слипаться очень быстро”, — отмечает Джордж Уайтсайдс (George Whitesides) из Гарварда, не участвовавший в данной работе.

“Если вы тестируете, к примеру, 100 тысяч доз лекарств на токсичность на 100 тысячах образцов ткани, экономия времени может быть весьма значительной”, — вторит ему Киллиан.

Однако Уайтсайдс указывает и на один из недостатков метода, присущий, впрочем, и всем остальным: клетки, расположенные во внутренней части любых лабораторных трёхмерных структур, страдают от недостатка питательных веществ, кислорода и быстро отмирают. На это Том отвечает, что вместе с коллегами уже работает над созданием раствора, который, возможно, решит эту проблему.

Ещё одно применение новинки – изучение рака. Злокачественные опухоли, выращенные на “невидимой матрице”, создаваемой магнитным полем, также больше похожи на те, что разрастаются в человеческом теле. Это само по себе большое достижение, добавляет ещё один исследователь Вадих Арап (Wadih Arap).

Сейчас команда Соудза проводит дополнительные тесты-сравнения существующих ныне методов выращивания трёхмерных матриц из клеток и новой магнитной технологии. Пока Глауко уверен, что эта разработка покажет точно такие же, если не лучшие результаты.

Кстати, дальнейшей коммерциализацией метода займётся начинающая компания Nano3D Biosciences, которой теперь принадлежит лицензия на создание магнитного геля. Достоверно известно, что в ней уже придумали простое и понятное название будущему устройству – Bio-Assembler (”Биосборщик”). Вероятно, именно его в скором времени начнут предлагать всем лабораториям, желающим опробовать новый необычный метод выращивания тканей.

Мозг – живой инструмент, способный гибко перестраивать свою работу при травмах, например, “обучив заново” какой-то функции другой участок коры взамен повреждённого. Возникшая на фоне этого идея одного американского учёного спустя сорок с лишним лет помогает вернуться к полноценной жизни людям, лишившимся света дня.

Гибкость нейронной сети человека, однажды восхитившая доктора Пола Бачирита (Paul Bach-y-Rita) из университета Висконсина в Мэдисоне (University of Wisconsin-Madison), постепенно стала главной темой его жизни. Бачирита не просто изучал этот вопрос, но и задался, на первый взгляд, фантастической целью: как можно на практике транслировать в кору мозга внешний видеосигнал, чтобы ослепший человек вновь начал видеть?

Невролог поразил учёный мир тем, что вышел за пределы эскизов и графиков и воплотил свои размышления в виде экспериментального “машинно-мозгового интерфейса”, ключевым элементом которого был “языковой дисплей” (Tongue Display Unit — TDU), прототип нынешнего устройства. TDU обладал уже несколькими десятками электродов, которые создавали слабое покалывание на языке сообразно яркости пикселей на картинке, снимаемой видеокамерой.

Само собой, мы подробнейшим образом осветили изобретение – было это в 2004 году, ещё при жизни доктора Бачириты.

В том же материале описывался случай Эрика Вайенмайера (Erik Weihenmayer) – довольно известной персоны, которой полученный в 13 лет диагноз “слепота” не помешал стать первым незрячим, покорившим 25 мая 2001 года Эверест.

История продолжилась следующим образом: в 2009 году университет Висконсина в Мэдисоне объявил о выходе в свет нового устройства, развивающего идеи “языкового дисплея”, – оно получило название BrainPort.

Приуроченный к релизу видеосюжет показывает, как прибор позволяет Эрику вести самую нормальную жизнь, включая альпинистские упражнения и игру в “камень-ножницы-бумага” с дочкой.

BrainPort работает по такому алгоритму: видеосигнал поступает от камеры в процессор, который управляет зумом, яркостью и другими параметрами картинки. Он также преобразует цифровые сигналы в электрические импульсы, фактически принимая на себя функции сетчатки.

Затем данные направляются на поверхность языка, к “леденцу” — массиву электродов площадью 9 см², каждый из которых соответствует сразу нескольким пикселям в камере. Число электродов в нынешних прототипах составляет от 100 до 600 с небольшим штук. Интенсивность же света напрямую влияет на силу тока и длительность электрических сигналов, которые ощущает язык.

Также электродная решётка обеспечивает пространственную ориентацию, то есть вспышка в центре зрительного поля отобразится в виде импульса в середине решётки. Ещё одно видео, демонстрирующее различные нюансы использования “Брейнпорта”, сняла команда CBS News.

Как уверяют разработчики, нужно “лишь научиться использовать” это устройство, подобно тому как впервые учатся ездить на велосипеде. Скептики утверждают, что для реального приобретения навыков нового зрения с помощью “Брейнпорта” требуются далеко не дни и даже не месяцы — впрочем, это в любом случае не срок для людей, обречённых иначе всю жизнь прозябать в темноте.

В любом случае через 15 минут (по утверждению представителей Wicab) с начала использования “Брейнпорта” незрячие пациенты начинают воспринимать пространственную информацию и понемногу ориентироваться (фото Daily Contributor).

BrainPort пока ещё недоступен для широкой продажи и распространяется только в рамках некоторых гуманитарных программ, но при желании через сайт можно связаться с Wicab и убедить их в своём намерении посодействовать испытаниям прибора. Там же есть информация и о другом ноу-хау компании – BrainPort Balance, предназначенном для пациентов с хроническим нарушением равновесия.

Так современная техника помогает нам оценить чудесную способность мозга к “самопочинке”. Поступающие извне сигналы обрабатываются в различных отделах коры в зависимости от типа сенсорной системы-передатчика. Это запечатлено и в названиях зон неокортекса: зрительная кора, слуховая кора и так далее.

При повреждении глаз информация перестает поступать в соответствующие центры, и человек лишается зрения, несмотря на работоспособность ответственного за это отдела коры. Но если зрительные сигналы приходят посредством другой сенсорной системы – то, как нам демонстрирует BrainPort, слепые прозревают (кстати, недавно было установлено, что слепые активно задействуют визуальную кору для слуха).

Craig Lundberg), 24-летнего уроженца Ливерпуля, потерявшего зрение в результате взрыва гранаты в Ираке 22 марта 2007 года. Британские военные хирурги отвезли Лундберга в Штаты для дальнейшего обучения использованию устройства BrainPort. Оно сейчас продолжает совершенствоваться в рамках программы по реабилитации ослепших ветеранов группой разработчиков во главе с бывшим генерал-майором армии США Гейл Поллок (Gale Pollock, свои цели она излагает в этом видеоролике).

Тем не менее недоверчивый экс-ефрейтор до сих пор больше полагается на своего пса-поводыря Гюго, которого очень любит. “BrainPort просто является средством обеспечения моей мобильности, а не решением всех проблем и концом моей инвалидности”, – по-военному чеканит в своих интервью Лундберг (фото AP и с сайта liverpoolecho.co.uk).

Пусть разрешение монохромного поля зрения, обеспечиваемого новым устройством, и ограничено числом электродов, в любом случае приговорённые к слепоте люди видят не пятна, а предметы – и снова могут совершить привычные действия: налить кофе, нажать кнопку лифта, прочесть надпись на стене.

Язык в качестве “протеза глаз” поначалу кажется экзотическим выбором, но это не каприз исследователей. Слюна отлично проводит электрические импульсы, а нервные волокна в языке расположены очень близко к поверхности. Можно сказать, язык практически идеален для зрения — после глаз.

Предварительная проверка на цитотоксичность с использованием человеческих клеток доказала полную безопасность прибора для человека (фото Korea University).

Специалисты из Корейского университета (Korea University) успешно использовали руку человека в качестве цифрового канала. Тонкие гибкие электроды потребляют значительно меньше энергии по сравнению с беспроводными технологиями, такими как Bluetooth, а ориентирована новинка в первую очередь на медицину.

Как сообщают авторы разработки, скорость передачи данных между двумя электродами, закреплёнными на коже на расстоянии 30 сантиметров друг от друга, составила 10 мегабит в секунду. Были использованы электромагнитные волны с частотой 45 мегагерц, которые хорошо проходят через кожный слой с низким коэффициентом поглощения и вдобавок защищены от внешних помех.

В основе устройства — металлические электроды в гибкой кремниево-полимерной оболочке, толщина каждого — 300 микрометров (три человеческих волоса). Корейцы предполагают, что кожный метод связи приборов найдёт применение в медицинской сфере, в частности поможет отслеживать жизненно важные показатели вне стационара, избавив при этом пациентов от традиционных проводов.

В настоящее время авторы изобретения совместно с крупным корейским производителем электроники (сохраняющим анонимность) работают над созданием систем мониторинга, в которые будет интегрирована новая технология. По словам инженеров, в будущем электроды могут быть оптимизированы для вживления под кожу – с целью проведения длительных исследований, к примеру электрокардиографии (ЭКГ) или электроэнцефалографии (ЭЭГ).

Напомним, сама идея подобной трансляции данных была сформулирована в 2002 году компанией Nippon Telegraph and Telephone. Последний же удачный опыт такого рода провели в 2005 году учёные Токийского университета (University of Tokyo), выпустившие отчёт в Sensors and Actuators A: Physical. Впрочем, в опыте японцев использовались более крупные электроды из хлорида серебра, вызывавшего раздражение кожи при длительном применении.

Статья корейских исследователей, описывающая новинку, вышла в Journal of Micromechanics and Microengineering.

Группа американских исследователей из Университета Пардью разрабатывает новый алгоритм, который поможет будущим роботам заметно лучше ориентироваться в пространстве. Эксперты отмечают, что данный подход способен заметно облегчить задачу обучения роботов навигации в сложных зданиях, городских улицах и неизвестных ранее местностях.

Разработчики отмечают, что на сегодня проблема навигации для робототехники представляется наиболее актуальной и, вместе с тем, сложной. Наиболее популярный подход для решения проблемы навигации заключается в загрузке в запоминающее устройство робота локальной карты местности и в снабжении робота системой спутникового позиционирования.

Однако данный подход не является универсальным, так как имеет много очевидных минусов. В Университете Пардью говорят, что люди ориентируются в пространстве иначе - при помощи так называемых “умственных карт”. Данный вариант для реализации в машинном виде очень сложен, однако он гораздо более эффективен.

Как привило, различные роботизированные механизмы, существующие на сегодня, используют лазерные сканеры, одометры и прочие измерительные устройства для навигации в пространстве. Однако, по словам Джорджа Ли, инженера из Пардью, на сегодня разрабатывается алгоритм, который позволит роботу предполагать особенности местности, основываясь на предыдущем опыте и на картах. При помощи нового алгоритма робот сможет предположить с большей или меньшей степенью вероятности ландшафт местности, основываясь на различных исходных данных.

“Логично предположить, что было бы неплохо научить роботов получать опыт на основе данных первичной навигации. На основе данного опыта роботы смогут лучше ориентироваться на неизвестной им местности” - говори Ли.

Алгоритм, разработанный инженерами строится на базе так называемых “пограничных областей”, под которыми понимаются области, следующие сразу за территорией, известной роботу. В частности, если робот ориентируется в комнате и натыкается на стену, то он, основываясь на предположении, что стена может иметь завершение, которое перетекает в, например, в дверь в другую комнату, попытается обойти ее.

Каждое такое предположение робота получает степень значимости и в том случае, если оно в итоге оказалось верным, то его вес повышается. В итоге робот получит базу данных наиболее точных предположений, основываясь на которых можно будет относительно точно ориентироваться в сложных условиях.

В будущем на базе данного алгоритма Джордж Ли с коллегами намерен создать более продвинутую модель, которая позволит строить роботам собственные карты.

По словам Эндрю Девиса, британского коллеги Джорджа Ли, данный алгоритм будет очень хорошо работать в замкнутых и не очень больших помещениях. Для навигации же на открытых местностях роботам потребуют либо огромные базы данных вариантов, либо некоторые уже готовые варианты действий.

Инженеры и физики из Массачусетского технологического института нашли способ производства значительного объема электричества при помощи углеродных нанотрубок. После разработки промышленных решений для производства электрического тока с помощью нанотрубок, можно будет отказаться от устаревших методов генерации электричества при помощи турбин и тому подобных методов.

По словам исследователей, в будущем углеродные нанотрубки, собранные из индивидуальных атомов, могут питать электричеством буквально все - от сотовых телефонов до автомобилей. По прогнозам ученых первые подобные системы генерации тока должны появиться примерно лет через пять.

В разработке физиков из Массачусетса углеродные нанотрубки были чрезвычайно тонкими - почти в 30 000 раз тоньше человеческого волоса. “Когда углерод организуется в нанотрубки, то он начинает проявлять необычные для себя свойства, такие как высокая теплопроводность, которая с стала основой в данной разработке”, - говорит Майкл Стрено, инженер-химик из Массачусетского технологического института.

В новой системе массив из углеродных нанотрубок погружался в топливо, например в бензин или этанол, затем с одного края установки начинался нагрев. Топливо реагировало на растущую температуру и производило еще больше тепла, причем трубки в данном случае выступали как катализатор тепла.

“Процесс распространения тепла был похож на падение костяшек домино, выстроенных в ряд. Одновременно с тепловыми волнами в нанотрубках начиналось упорядоченное движение электроннов, говоря другими словами, возникало электричество”, - говорит Стрено.

Устройство, созданное в Массачусетсе, смогло произвести в 10 раз больше электричества, чем обычная литий-ионная батарея той же массы. “Удивляет здесь то, что нам не пришлось изобретать ничего нового. Мы смогли сделать новый источник питания из доступных и довольно дешевых компонентов”, - говорит Стрено.

Исследователи прогнозируют, что в дальнейшем на основе созданной технологии можно будет создавать довольно компактные, но емкие элементы питания.

Генетики из США проанализировали геномы родителей и двух их детей и определили, какое число новых мутаций появляется при смене поколений.

Карта генома, на которой линиями соединяются гены-ортологи с хромосомы 1 человека (нижняя часть кольца) и хромосом 1 (вверху слева) и 3 мыши (иллюстрация Science Photo Library).

В выбранной авторами семье у обоих родителей присутствовали рецессивные гены, действие которых привело к тому, что у детей проявились редчайшие синдромы Миллера и Картагенера. Синдром Миллера характеризуется нарушениями развития конечностей, верхней челюсти, расщеплением нёба и обнаруживается у одного человека из миллиона. Синдром Картагенера, встречающийся чаще, у одного человека из 10 тысяч, связан с нарушениями работы ресничек, удаляющих слизь, в дыхательных путях. Вероятность одновременного проявления обоих синдромов не превышает 10^-10.

Сравнивая расшифрованные геномы, ученые определили набор из четырех генов, которые могут быть связаны с развитием этих синдромов.

Исследователи также установили, что у детей в этой семье появилось приблизительно по 70 новых мутаций — примерно в два раза меньше, чем предполагалось. «Новая оценка несколько трансформирует наши представления о наследственной изменчивости, но это далеко не главное, — отмечает участник исследования Дэвид Галас (David Galas) из Института системной биологии. — Важнее другое: наша работа отмечает начало нового этапа развития генетики, на котором сведения о геноме каждого члена семьи приобретают практическое значение. Надеюсь, в не слишком отдаленном будущем расшифровка генома станет обычной частью медицинской карты человека».

Полная версия отчета опубликована в журнале Science.

Подготовлено по материалам Nature News.