Научни новини: Синтетична кожа, регенерация на мозъчна тъкан и органоиден интелект

Хидрогеловете са порьозни структури, съставени основно от течност, най-често вода, в която има мрежа от нишки от природни или синтетични полимери. Те са познати от над сто години и имат широко приложение в индустрията, медицината и изследователската дейност.

Пример е абсорбиращият материал в памперсите – някои разработки на такива материали обещават способност да погълнат вода, която е 3000 пъти колкото теглото им. Друг често срещан продукт са меките контактни лещи, чието голямо предимство е, че структурата им позволява преминаването на кислород към тъканите на окото.

Поради изключителните си свойства те са в авангарда на много и различни новосъздаващи се технологии.

Синтетична кожа

Статистически комарите са най-смъртоносните животни на планетата – според СЗО през 2021 г. от малария са починали над 600 000 души. Освен нея, насекомите пренасят и редица други заболявания, като жълта треска, денга, западнонилска треска и зика.

Една от големите трудности в опитите с комари е наблюдението и изучаването на храненето им. Обикновено това включва лабораторни животни или доброволци, склонни да се подложат на няколкочасово изпитание. Този подход не позволява автоматизиране и по-дълги изследвания. Решение на проблема предлага новосъздадена изкуствена кожа от хидрогел.

Използвайки технология за 3D печат с биологичен материал, учени успешно са създали структура, в която може да тече кръв. За повишаване на продуктивността в изпитателната камера се поставят няколко опитни елемента, към които са насочени видеокамери, постоянно заснемащи повърхността им и комарите, които се хранят от тях. След края на експеримента записите се анализират с помощта на компютърен модел, който определя броя кацания, както и времето за хранене. За да направи платформата по-достъпна и по-гъвкава, екипът е използвал малък компютър Raspberry Pi в комбинация с бюджетни видеокамери Arducam, които са управлявани от скрипт, написан на Python.

За изпитанията на системата са сравнени два репелента: синтетичният DEET, разработен в средата на миналия век, и натурален – от растителни масла. Между двата не е открита статистически значима разлика в сравнение с контролното условие, при което не е използван репелент. Този резултат показва потенциала на приложение на платформата, тъй като разработката на нови продукти и одобрението им за пазара е свързано със скъпи изследвания върху хора и животни. Наред с това DEET, въпреки високата си ефективност, причинява нежелани кожни реакции при някои хора, което е стимул за откриването на нови, по-безопасни формули.

Едно от потенциалните приложения на тази платформа е за следене на появата на определени видове, което е все по-актуално поради разширяването на ареалите им, причинено от глобалните климатични промени. В тази връзка авторите предлагат подобрение на работата ѝ в полеви условия. Ако покрай синтетичната кожа се пусне поток от въглероден диоксид с ниска концентрация, комарите ще са още по-силно привлечени от нея, тъй като това е един от стимулите, насочващи ги към потенциални жертви. Друго предложение е използването на синтетични аналози на кръвта, за да се създаде напълно изкуствен изпитателен модел и да се избегне опасността от боравене с биологичен материал, който може да носи патогени в себе си.

Регенерация на мозъчна тъкан

Хидрогеловете са основа и за създаването на тъкани и органи в изкуствени условия. От тях най-често чрез 3D биопечат се прави своеобразно скеле, което се поставя в подходяща инкубационна среда. Клетките, които ще изградят тъканта, се прикачват към хидрогелната структура и започват изграждането ѝ. Технологията е основа и при създаването на синтетично месо.

Използвайки тази идея, екип от Университета в Хокайдо е разработил система за терапия на мозъчни травми. Първата стъпка е била намирането на хидрогел с подходящо съдържание, в който да могат да се развиват невронни стволови клетки. След това той е инкубиран в хранителна среда, която стимулира развитието на кръвоносни съдове в него. Когато те достигнат достатъчна плътност, структурата се имплантира в опитни мишки с мозъчна травма.

Около три седмици по-късно в импланта вече има имунни клетки от приемащия организъм. В него са навлезли и неврони от тъканите в непосредствена близост. Ако няма отхвърляне, в хидрогела се инжектират стволови клетки, които успешно се развиват в астроцити (вид мозъчни глиални клетки) и неврони във връзка с околните тъкани. Учените отбелязват, че последователността на стъпките е от особена важност за оптималното протичане на процеса.

При мозъчни увреждания, водещи до загуба на обем вследствие на физическа травма, или хирургическа намеса при тумор или при запушване на кръвоносен съд, в повечето случаи няма регенерация на тъканта. Затова подходът е обещаващ особено при възрастни пациенти, при които възстановяването е по-бавно.

Потенциал за подобрение според авторите има в посока на сравняването между хидрогел, който не се резорбира в тъканите на пациента, и такъв, който е биоразградим. Материалът, използван в изследването, е от първия вид и въпреки че не са забелязани промени в поведението на опитните мишки, не е ясно какви ще са дългосрочните ефекти.

Органоиден интелект

Това е терминът, предложен от група учени, за нов подход в създаването на интелект в изкуствена среда. За разлика от компютърните невронни мрежи, съществуващи като математически модели, тук се обсъжда използването на истински мрежи от неврони, обособени в малки мозъчни органоиди. Това е възможно заради напредъка при биоматериалите, благодарение на които може да се изграждат триизмерни структури. Тези структури позволяват на невроните в тях да създават повече връзки помежду си, повишавайки възможността им за извършване на операции.

Използването на биологични компютри има няколко предимства. Вследствие на еволюционния натиск организмите са изградили изключително ефективна система за учене от околната среда. Биологичните системи са оптимизирани за обработване и съхранение на данни. Пример, който авторите дават, е задачата „еднакво или различно“: хората имат нужда от около 10 опита, за да я разберат, пчелите – от около 100, докато при някои компютърни системи са необходими над 5 пъти повече. Наред с това живите организми използват енергията изключително пестеливо. За сравнение, при обучението на AlphaGo, първия софтуер, успял да победи човек в играта „го“, е изразходвана енергия, достатъчна за поддържане на метаболизма на активен възрастен човек за 10 години.

За комуникация с органоидите се разработват системи от микроелектроди, които улавят електрическите сигнали, предавани от клетките, по подобие на „шапките“ с електроди, използвани в машините за електроенцефалография (ЕЕГ). Тази част от технологията все още предстои да се оптимизира. Повечето такива системи, достъпни в момента, са за клетки, култивирани в една равнина, и за триизмерните органоиди ще е нужно да се направи своеобразна капсула, в която да бъдат поставени. Допълнителна трудност създава и желанието на изследователите да правят микроскопски наблюдения, което налага електродите и конструкцията, към която са прикрепени, да бъде прозрачна.

Всичко това звучи абстрактно и фантастично, но основите са положени и вече има работещи системи. В края на миналата година бе публикувана разработката DishBrain (буквално „мозък в Петри“) – инвитро невронна мрежа, изградена от човешки или миши клетки, която се е научила да играе играта Pong.

Системата има три участъка с неврони – един, който приема стимулите, и два „двигателни“, които подават сигнал за местене на хилката нагоре или надолу. Въпреки че способностите ѝ не са на много високо ниво, това е впечатляващо, защото не е имало предварително обучение и успеваемостта се е повишила значително само след няколко минути игра. Авторите отбелязват две основни ограничения на прототипа – броя микроелектроди, побиращи се на площта, върху която е разположена културата от клетки, и изчислителната мощ, нужна за обработка на данните в реално време.

Освен за изчисления, тези структури може да се използват и като моделна система за проучване на заболявания, засягащи мозъка, например алцхаймер, паркинсон и др. Като се използва възможността за превръщане на кожни клетки в стволови, може да се създадат мозъчни органоиди, които са строго специфични за даден пациент. След оформянето на триизмерната култура тя може да се използва в различни експерименти – от подлагане на медикаменти до ксенотрансплантация (процес на прехвърляне на тъкан от един вид в друг, например от човек в мишка). Това позволява на изследователите да опитат много и различни подходи, което в повечето случаи е невъзможно да се направи инвиво в пациента.

Развитието в тази научна област тепърва започва и има много пречки за преодоляване. За да могат да изпълняват поставените задачи, авторите смятат, че ще са нужни органоиди, съставени от около 10 милиона клетки, което е значително увеличение спрямо сегашните възможности. Ще бъдат необходими също по-добри и по-иновативни системи от микроелектроди.

Не са за пренебрегване и всички етични въпроси, които повдига тази технология. Един от тях е разработването на правила, които уточняват използването на клетки, особено ако те са извлечени от човек. Например кой е собственик на органоида, кой има право да решава какви процедури може да се извършват с него, каква информация може да се извлече за донора.

Друга посока на обсъждане е възможността за поява на съзнание в тези структури, което налага създаването на нови тестове и процедури, следящи за това. Колкото по-продължителен е периодът на инкубация, толкова по-комплексна става структурата, особено когато е изложена на стимули. Ще трябва да се реши и къде да бъде поставена границата между реагиране на стимули, съзнание, разум. Не е ясно и дали тези структури имат възможност да изпитват болка, както и дали могат да я осъзнаят.

Подобни дискусии се водят и за машинните невронни мрежи от по-ново поколение, но поради биологичния си характер мозъчните органоиди са много по-предразположени към третиране като жив организъм.

Не се знае дали ще успеем да видим приложение на технологията по начина, описан от киберпънк авторите, но изглежда, учените са решени да направят каквото е по силите им.

Заглавно изображение: неврон (в зелено) и невронни стволови клетки (в червено). Източник: Wikimedia Commons