Zmodyfikowana tkanka zasila biohybrydowe roboty
Cienka warstwa komórek zwana nabłonkiem pokrywa całą powierzchnię naszego ciała, zarówno na zewnątrz, jak i wewnątrz. Wśród przykładów tkanki nabłonkowej można wymienić zewnętrzną warstwę skóry (naskórek), wyściółkę jamy brzusznej i gruczoły potowe. „Dobrym przykładem jest wyściółka jelit, która wchłania składniki odżywcze i płyny”, wyjaśnia Xavier Trepat(odnośnik otworzy się w nowym oknie), koordynator projektu EpiFold z ramienia Katalońskiego Instytutu Bioinżynierii(odnośnik otworzy się w nowym oknie) w Hiszpanii. „Tkanka nabłonkowa pełni funkcję bariery, a ponadto jest wysoce specyficzna i funkcjonalna”. Na funkcjonalność tę wpływa trójwymiarowa budowa tkanki. Nie zbadaliśmy jednak dotychczas dokładnie procesów takich jak deformacja, wzrost i przebudowa, a także ich powiązań prowadzących do tworzenia funkcjonalnych struktur 3D. Zagadnienie to starał się badać zespół projektu EpiFold, który został sfinansowany przez Europejską Radę ds. Badań Naukowych(odnośnik otworzy się w nowym oknie). Ponadto dzięki odkryciu procesów modulujących kształt i mechanikę tkanki nabłonkowej, zespół projektowy chciał również utorować drogę do stworzenia biohybrydowych robotów nowej generacji. Nowatorskie roboty mogą pewnego dnia znaleźć zastosowanie w dziedzinach takich jak ochrona zdrowia.
Badanie zachowania tkanki nabłonkowej
„Badania rozpoczęliśmy od opracowania technologii umożliwiających pomiar oraz wpływanie na mechanikę tych warstw”, wyjaśnia Trepat. „Chcieliśmy lepiej zrozumieć zachowanie tkanki nabłonkowej, zwłaszcza w wyściółce jelit”. Aby to osiągnąć, organoidy - trójwymiarowe hodowle tkanek uzyskane dzięki komórkom macierzystym - zostały wykorzystane do zbadania, w jaki sposób nabłonek tworzy trójwymiarowe struktury. Aby lepiej zrozumieć zachowanie tkanki nabłonkowej, badacze zastosowali najnowocześniejsze technologie, w tym mikroznakowanie, technologie mikroprzepływowe, optogenetykę i inżynierię mechaniczną. „Chcieliśmy również sprawdzić, czy możemy wykorzystać te dynamiczne komórki do budowy elementów inżynieryjnych”, dodaje Trepat. „Komórki mają właściwości, którymi nie dysponują materiały obojętne, takie jak samonaprawa i samozasilanie”.
Podział komórek, migracja i zmiana funkcji fizjologicznych
W ramach projektu udało się opracować nowatorskie technologie pomiaru zachowania komórek. „Jelita pozostają w ciągłym stanie samoodnowy”, wyjaśnia Trepat. „Cała powierzchnia naszego jelita odnawia się co tydzień dzięki komórkom, które dzielą się i migrują, zmieniają swoje funkcje fizjologiczne i obumierają. Jelita stanowią bardzo dynamiczne środowisko”. Zespół projektu EpiFold rzucił nowe światło na dokładne działanie procesu odnowy powierzchni jelit. „Obecnie lepiej rozumiemy związane z tym siły fizyczne”, zauważa Trepat. „Możemy wizualizować te procesy in vitro, wykorzystując organoid w połączeniu z technologiami pomiarowymi”. Doświadczenia przeprowadzone z użyciem organoidów wykazały również, że nawroty przerzutów raka jelita grubego(odnośnik otworzy się w nowym oknie) pojawiają się z powodu resztkowych komórek EMP1+ znajdujących się w tkance nabłonkowej. Odkrycie to uzupełnia badania mówiące, że nowotwory wykorzystują funkcje komórek nienowotworowych w swoim mikrośrodowisku w celu naciekania oraz tworzenia przerzutów. „Nasz projekt skupiał się na jelitach”, mówi Trepat. „Istnieje jednak wiele innych tkanek w płucach, piersiach czy na skórze, w przypadku których można zastosować nasze technologie”.
Przetwarzanie komórek w elementy konstrukcyjne
Zespół projektu EpiFold, który dobiegnie końca w grudniu 2025 roku, zamierza skupić się teraz na najbardziej ambitnej części projektu - przekształcaniu komórek w elementy składowe materiałów. „Wiemy, że będzie to bardzo trudne, ale już teraz podejmujemy pierwsze próby”, zauważa Trepat. „Jesteśmy w stanie tworzyć niewielkie kanały z komórek i staramy się opracować pompy komórkowe”. Przewaga komórek polega na tym, że są żywe. Rozwiązania komórkowe mogą zatem zasilać się i naprawiać samodzielnie, wykonując przy tym działania, których nie mogą wykonywać rozwiązania oparte na obojętnych materiałach. Potencjalne obszary zastosowań obejmują dostarczanie leków i chirurgię, gdzie bardzo przydatne byłyby odkształcalne materiały. „Mamy do czynienia z badaniami wysokiego ryzyka i nadal nie jest jasne, do jakich konkretnych zastosowań może być wykorzystywana taka technologia”, dodaje Trepat. „Tego rodzaju prace wymagają czasu, ponieważ nadal musimy zgłębiać zachowanie tych układów komórkowych”.
