조직 공학과 관련하여 과학자들은 마이크로 매니저 인 경향이 있습니다. 전통적인 접근법은 세포의 성장을 새로운 조직으로 안내하는 합성 스캐 폴드에 세포를 도입하는 것을 포함합니다. 이 방법은 피부와 같은 비교적 간단한 조직에서 작동 할 수 있습니다. 그러나 내부 장기의 구조와 같은보다 복잡한 구조의 경우 펜실베이니아 대학교의 생물 공학자 인 Alex Hughes는“조직 내에서 세포의 구성과 관련된 발달 이력”을 고려하지 않습니다.
.그와 샌프란시스코 캘리포니아 대학교의 제약 화학자 인 Zev Gartner가 이끄는 연구원 팀은 답변을 위해 발달 생물학으로 바뀌 었습니다. 지난 달 발달 세포에 출판 된 논문에서 , 그들은 조직의 형태와 기능을 설정하는 데 중요한 역할을 보여 주었고, 더 정교한 인공 구조를 엔지니어링하기 위해 그 힘이 어떻게 활용 될 수 있는지 보여주었습니다.
.실제 조직은 내장의 손가락과 같은 곡물과 접힘으로 가득 차 있습니다. 다른 메커니즘은 기하학을 일으키는 조직 폴딩 과정을 지배 할 수 있습니다. Gartner는“모든 경우에 그들은이 일반적인 현상을 가지고있다”고 말했다.“이것은 다른 조직 층 사이의 인터페이스가 줄어들고 성장해야한다는 것입니다.”
.하버드 대학교 (Harvard University)의 유명한 세포 생물 학자이자 생물 공학 개척자 인 도널드 잉버 (Donald Ingber)에 따르면, 그 물리적 배열의 중요성을 간과해서는 안됩니다. “기계적 힘은 화학 물질이 생화학을 조절하는 것처럼 생화학을 조절할 수있다”고 그는 말했다. "발달 생물학은 기계적으로 설명되었지만 화학, 분자 생물학과 유전학이 그림에 들어 왔을 때 아기는 목욕물에 던져졌습니다." 그는 지난 15 년 동안 만 기계적 힘에 대한 연구가 현장에서 컴백을했다고 덧붙였다.“특히 지역 조직 환경에서 일어나는 일을 조절하는 데 중요하다.”
.그렇기 때문에 Gartner, Hughes 및 그들의 동료들은 중간 엽 세포로 알려진 특정 기계적 프로세스에 집중하기로 결정했습니다. 조직의 얇고 외부 층인 상피 아래에는 중간 엽이라고 불리는 결합 층이 있습니다. 발달하는 동안, 중간 엽의 세포는 상피 오버 헤드의 곡률을 유도하는 클러스터로 응집됩니다. 연구원들은 그것이 어떻게 작동하는지 포장을 풀고 싶었습니다. Hughes는“우리의 목표는 엔지니어링 원칙이 무엇인지 확인하여 우리 자신의 통제하에 그것을 받아 들일 수 있도록 엔지니어링 원칙이 무엇인지 확인하는 것이 었습니다.
그들은 마우스 배아에서 유래 한 중간 엽 세포를 복용하고 세포 외 매트릭스의 슬래브에 작은 클러스터를 배치했습니다 (조직의 세포 사이에서 발견되는 단백질 및 다른 성분의 혼합물). 그들은 클러스터가 주변 매트릭스를 잡아 당겼다는 것을 발견했습니다. 밀접하게 위치한 클러스터 사이에 형성된 단백질 섬유의 벨트는 줄다리기의 게임과 비슷하게 보이는“기계적 의사 소통”라인을 열었습니다. 당기기 힘의 방향은 슬래브가 접힌 방식을 결정했습니다. 한편, 세포에서 운동 단백질의 활성을 차단하면 폴딩 과정이 방지되었다. Gartner는“우리는 원인이 우리의 시험 관내 시스템과 생체 내 시스템에서 확실하게 기계적임을 확인했습니다.
다음 연구원들은 세포 클러스터의 특정 패턴이 재료의 곡률에 어떤 영향을 미치는지 알아 내야했습니다. Hughes, Gartner 및 그들의 팀은 그들이 형성 할 수있는 모양과 어떤 셀룰러 패턴을 형성 할 예정인 예측 모델을 만들었습니다. 클러스터에서 세포의 수를 조작하고, 그 클러스터가 어떻게 조밀하거나 확산되었는지, 대칭 적 또는 비대칭 적으로, 그리고 겔의 원래 모양으로, 합성 조직이 그릇과 튜브에서 코일과 큐브에 이르기까지 다양한 모양으로 접을 수있었습니다. 예를 들어, 정사각형 젤로 시작하여 클러스터 사이의 공간을 한 축을 따라 더 크게 만들면 조직이 튜브로 롤링되었습니다.
Columbia University의 생물 의학 엔지니어 인 Nandan Nerurkar는“디자인 관점에서 매우 흥미 롭습니다. “그들은 발달 원칙을 취해 특정 지오메트리로 조직을 설계하는 데 사용할 수 있음을 보여주었습니다. 그리고 그들은 만들고자하는 모양을 달성하기 위해해야 할 일을 예측하는 파이프 라인을 만들었습니다.”
.이는 모양의 스캐 폴드에서 성장하는 세포에 기초한 고전적인 조직 엔지니어링 기술과는 매우 다릅니다. Gartner는“세포 자체가 폴딩을 수행하도록 허용하는 것은 조직에 일종의 분자, 나노 스케일 및 마이크로 스케일 디테일을 구축하여 고전적인 접근법을 사용하는 데 매우 어려운 방식으로 남아 있습니다.
이 새로운 접힘 조직 방법은 가장 손이 닿지 않습니다. 그 제목은 오가 노이드 필드에 속합니다. 그 과학자들은 줄기 세포를 복용하고 올바른 요인과 미세 환경을 사용하여 최소한의 교육으로 조직의 작은 단위로 성장하도록합니다. 그러나 이러한 작은 조직 복제본은 재생산하기가 매우 어렵고“수백 미크론보다 큰 규모로 스스로 조직하는 경향이 없다”고 Hughes는 말했다. 그 접근 방식을 더 큰 규모로 작동하는 그의 그룹의 작업과 결합함으로써 더 크고 더 잘 정리 된 더 현실적인 오가 노이드를 만들 수 있습니다. 결국,이 단계는 질병을 모델링하고 개인화 된 의학적 치료를 알리기에 충분히 조직을 세련되게 만들 수 있습니다.
예를 들어 소프트 로봇 디자인에는 다른 응용 프로그램도 있습니다. 셀이 특정 구조물에 자신을 구축하도록 유도하는 제어 가능한 공정은 환경 센서에서 모양 이동이 가능한 자동화 된 부품에 이르기까지 기계적으로 활동적인 물체를 제조하는 데 먼 길을 갈 수 있습니다. 휴즈는“우리는 우리가 생물학을 만들 수있는 것의 경계를 실제로 밀기 시작했다”고 말했다. "우리는 일반적으로 생물학적 세포를 조직 수준에서 또는 로봇이나 자율 시스템과 같은 수준에서 설계 가능한 시스템으로 생각하지 않기 때문입니다."
.이러한 응용은 제쳐두고,이 작업은 또한 인간 발달에 대한 통찰력을 제공 할 수 있습니다. 가트너는“배아를 볼 때“우리는 조직에서 작용하는 힘의 결과를 관찰 할 수 있지만 실제로는 보지 못한다”고 말했다. 그의 시스템은 해당 힘의 가시 서명을 식별하는 데 사용될 수 있으며, 연구자들은 유기체 개발을 위해 찾을 수 있습니다.
그들은 또한 진화와 관련된 질문을 실험적으로 조사하기 시작할 수 있습니다. 왜 특정 구조가 그들이하는 것처럼 형성 되는가, 그리고 그 장점은 무엇입니까? 자연 선택은 왜 다른 것보다는 사지를 만들기위한 하나의 발달 메커니즘을 선호 했습니까? Nerurkar는“이 시스템을 사용하여 다른 형태 형성 메커니즘을 테스트 할 수 있으며 이러한 메커니즘의 견고성을 테스트 할 수 있습니다.
물론 가트너와 그의 팀은 개념 증명을 넘어서야 할 것입니다. 그럼에도 불구하고 그들의 논문은 스위스의 폴리 테크 네크 프레 알레 드 로산 (Ecole Polytechnique Fédérale de Lausanne)의 바이오 엔지니어 인 Matthias Lütolf는“조직 공학에 대한 이러한 유형의 사고는 정말로 중요하다”고 말했다. “발달 생물학을 깊이 이해 함으로써이 분야의 오랜 도전을 해결하는 것이 가능합니다. 이 작업과 연구와 같은 연구는 필사적으로 필요합니다.”
