Как сообщают в НИТУ «МИСИС», в мире пока не существует коммерчески доступных биопринтеров для печати мягких тканей непосредственно на ранах пациентов. Разработчики университета восполнили этот пробел, который поможет лечить обширные повреждения тканей без дорогостоящего оборудования. Технология проверена на животных и доказала свою эффективность.

Источник изображений: НИТУ «МИСИС»

Традиционно ткани для пересадки на обширные повреждённые участки кожи выращиваются «в пробирке» — на чашках Петри с последующей адаптацией, что требует громоздкого и дорогостоящего оборудования. В мире пока нет коммерческих биопринтеров, которые могли бы наносить тканевый материал прямо на раны, что значительно ускорило бы восстановление пациентов с попутным снижением затрат на подготовку к лечению и само лечение. Учёные университета решили этот вопрос оригинальным образом — они приспособили для этого рядовой роботизированный манипулятор, вооружив его системой подачи тканевых «чернил» и датчиками навигации.

Программно-аппаратный комплекс биопринтера сканирует дефект, создает его трёхмерную модель, а затем заполняет участок гидрогелевой композицией с живыми клетками. Датчики на основе лазеров учитывают не только рельеф раны, но также движение тела пациента, например, в процессе дыхания, подстраивая необходимым образом печатающую головку. Специальное программное обеспечение, синхронизирующее движения роборуки и подачу материала, создал инженер НОЦ Биомедицинской инженерии НИТУ МИСИС Александр Левин. Пользовательский интерфейс с возможностью 3D-отображения траекторий написан на языке Python с использованием открытых библиотек Pyqt5 и OpenGL и открыт для всех желающих, кто готов совершенствовать проект.

Судя по фотографиям, за основу биопринтера был взят один из манипуляторов белорусской компании Rozum Robotics. Биочернила на основе коллагенового гидрогеля были поставлены биотехнологической фирмой «ИМТЕК». Программно-аппаратный комплекс платформы учёным помогали разрабатывать специалисты компании 3D Bioprinting solutions. Принтер успешно прошёл испытания в операционной на животных в лаборатории доклинических исследований МНИОИ имени П.А. Герцена и готов к дальнейшим этапам исследований. Проведённый через некоторое время анализ ран показал, что процесс заживления прошёл со значительным ускорением.

По мнению специалистов, данная технология биопечати in situ, т.е. непосредственно в дефект, в будущем может стать прогрессивным терапевтическим методом лечения ожогов, язв и обширных повреждений мягких тканей.

Несмотря на все достижения в области работы с ДНК — шаблоном и инструментом для воспроизведения и развития живых организмов на Земле — попытки использовать этот же механизм для выполнения математических алгоритмов пока не могут считаться достаточно успешными. В то же время логика на ДНК способна на колоссальный параллелизм, что позволит умножить мощность компьютеров, в чём далеко продвинулись китайские учёные.

Источник изображения: Pixabay

Наука далеко шагнула в области записи данных на ДНК. Это базовая опция дезоксирибонуклеиновой кислоты. Запись и хранение данных относительно нетребовательны к скорости работы платформы, которая зависит от скорости протекания биохимических реакций. Другое дело вычислительные цепи, скорость работы которых должна быть максимальной. В принципе, параллелизм частично решает эту проблему. Но до последнего времени электронные цепи на ДНК, с которыми работали учёные, не могли похвастаться универсальностью — они выполняли лишь ограниченный круг алгоритмов.

Группа исследователей из Китая разработала интегральную схему ДНК, которая способна выполнять множество разнообразных операций. По словам учёных, реконфигурируемый базовый элемент (электронная цепь) с 24 адресуемыми двухканальными затворами может быть представлен в виде 100 млрд вариаций цепей, каждая из которых сможет выполнять собственную подпрограмму. Из этого следует, что на основе этого решения можно спроектировать процессор общего назначения для запуска любых программ.

В своей работе, которая была опубликована в журнале Nature, исследователи показали, как с помощью трёхслойной матрицы из цепей на базе их ДНК-чипа можно обеспечивать простейшие математические операции. Представленная платформа легко масштабируется, что позволяет рассчитывать на создание в будущем очень мощных процессоров.

Для решения вопроса масштабирования учёные проделали другую работу. Ведь для прохождения сигнала в цепях из ДНК потребуется передача биохимических данных в заданном направлении и без затухания. И чем длиннее будет этот путь (масштаб), тем выше будет вероятность потери «сигнала» — фрагмента ДНК или концентрации фрагментов ДНК. В качестве «сигнала» китайские учёные испытали олигонуклеотиды — короткие фрагменты ДНК, которые уже используются как детекторы и носители ДНК-информации. В своих экспериментах китайцы показали, что типовые одноцепочечные олигонуклеотиды хорошо работают в качестве унифицированного сигнала для передачи, что позволяет надёжно интегрировать крупномасштабные цепи с минимальной утечкой и высокой точностью для вычислений общего назначения.

«Способность интегрировать крупномасштабные сети DPGA [ДНК БИС] без явного ослабления сигнала знаменует собой ключевой шаг на пути к ДНК-вычислениям общего назначения», — заявляют исследователи.

Вычисления в пробирке. Буквально. Источник изображения: Nature

В качестве примера учёные создали схему, решающую квадратные уравнения, которая собрана с использованием трёх слоев каскадных ЦВМ, состоящих из 30 логических вентилей и содержащих около 500 нитей ДНК. Более того, интеграция DPGA с аналого-цифровым преобразователем позволит классифицировать микро-РНК, связанные с заболеваниями. Иными словами, предложенная платформа сможет не только работать как обычный компьютер, но также будет способна на мгновенную диагностику вирусных и других заболеваний. И ещё большой вопрос, которая из этих возможностей окажется наиболее полезной.

Представьте, что умные часы или фитнесс-браслет смогут управлять вашим метаболизмом, а не просто измерять пульс и подсчитывать количество шагов. Такое кажется невозможным, но поставленный учёными эксперимент показал, что активностью генов в клетках человека можно управлять электрическими импульсами.

Источник изображения: Pixabay

Исследователи из Швейцарской высшей технической школы Цюриха (ETH Zürich) проделали работу, результатом которой может стать использование в будущем носимых устройств для укрепления нашего здоровья, а не только для сбора данных об активности. Учёные представили то, что они назвали «электрогенетическим» интерфейсом. Перспективный интерфейс способен запускать целевые гены по команде в те моменты, когда наш организм будет нуждаться в стимуляции или в коррекции состояния здоровья.

«Носимые электронные устройства играют всё большую роль в получении данных о здоровье человека для проведения персонализированных медицинских вмешательств, — пишут исследователи в опубликованной ими статье. — Однако из-за отсутствия прямого электрогенетического интерфейса, носимые устройства пока не могут напрямую программировать генную терапию. Здесь мы предоставляем недостающее звено».

Как сообщается в статье учёных в журнале Nature Metabolism, эксперимент был поставлен на мышах, больных диабетом 1-го типа. Мышам имплантировали клетки поджелудочной железы человека. Раздражение этих клеток электрическим током по команде с внешнего устройства приводило к принудительной выработке инсулина. С оговорками, но животных фактически избавили от неизлечимой болезни.

Источник изображения: Nature Metabolism

Стимуляция клеток происходит в процессе образования активных форм кислорода — очень активных и «агрессивных» молекул, уровень которых, впрочем, контролировался и не достигал концентрации, после которой молекулы кислорода становятся для организма ядом. Молекулы кислорода напрямую воздействуют на ДНК при делении клеток и могут направлять этот процесс в нужное русло, обеспечивая генную терапию с помощью контролируемых электрических импульсов.

«Мы считаем, что эта технология позволит носимым электронным устройствам напрямую программировать метаболические вмешательства», — пишут исследователи. Очевидно, что такое произойдёт очень и очень нескоро. Но потенциал в этом есть, и он обещает когда-нибудь справиться с генетическими заболеваниями и не только. Например, получить возможность выбрать в меню браслета режим «форсаж» и догнать уходящий поезд.

Учёные из Мюнхенского технического университета предложили ещё один способ утилизации углекислого газа. Вместо выбросов в атмосферу, где CO₂ будет создавать парниковый эффект, открытая цепочка биохимических реакций приводит к синтезу аминокислоты, необходимой для производства кормового белка. При этом территория под комплекс для синтеза будет ощутимо меньше сельхозугодий под те же задачи. Так можно будет «накормить будущее», уверены учёные.

Источник изображения: Otto Zellmer / TUM

Для производства искусственного белка, необходимого как для кормов сельскохозяйственных животных, так и для пищи человека, например, для создания искусственного мяса, необходим ряд аминокислот. Немецкие учёные придумали реакцию для синтеза аминокислоты L-аланина и намерены разработать процессы для синтеза других необходимых аминокислот, чтобы в конечном итоге из углекислого газа синтезировать полные белковые комплексы.

В основе биохимической реакции синтеза L-аланина лежит метанол и не простой, а «зелёный» — полученный из CO₂ с использованием возобновляемой энергетики — от ветряных или солнечных ферм. Метанол необходим как промежуточный продукт, потому что напрямую аминокислоту синтезировать из углекислого газа нельзя. Получив из CO₂ метанол, учёные запускают с ним серию реакций с использованием синтетических ферментов. На выходе получается необходимая для синтеза кормового белка аминокислота. Для синтеза этой же аминокислоты природным способом необходимы земля, люди и длительные процессы по выращиванию.

В случае природного подхода ресурсные затраты и произведённые в его процессе вредные выбросы проигрывают синтетическим, уверены исследователи. К тому же, синтетический способ производства аминокислот и белков не производит вредных выбросов, если использует возобновляемую энергию. Предложенное решение поможет устранить конфликт между растущим населением Земли и производством продуктов. Еды хватит всем, и производиться она будет без ущерба для экологической обстановки.

Научные исследования становятся всё сложнее и дороже, что ограничивает к ним доступ лабораториям и коллективам без больших бюджетов. Группа учёных смогла решить эту проблему в сфере 3D-печати живых тканей человека — она создала сложнейшее и дорогое оборудование из обычных наборов LEGO и готова поделиться опытом со всеми желающими.

Источник изображений: Cardiff University

Промышленный 3D-биопринтер стоит десятки и даже сотни тысяч долларов США. Группа исследователей из Кардиффского университета (Великобритания) решила для себя вопрос покупки принтера приобретением нескольких наборов LEGO общей стоимостью в $624. Самыми дорогими, по-видимому, оказались интеллектуальный блок Lego Mindstorms и лабораторный насос.

LEGO-принтер печатает биогелем, в котором растворены клетки кожи человека. Сопло принтера создаёт трёхмерную модель тканей кожи в чашке Петри, укладывая в неё слой за слоем. В дальнейшем учёные намерены изучить работу с разными составами геля и соплами разного диаметра, чтобы попытаться максимально точно воспроизводить кожную ткань человека.

Всё эту нужно для получения множества образцов живой ткани для проведения медицинских опытов. В обычных условиях биологический материал получают либо от доноров, либо в виде отходов после операций. В обоих случаях процедура и порядок получения биоматериалов достаточно сложные и становятся всё сложнее и сложнее, поэтому даже такой доморощенный принтер из конструктора LEGO может быть приемлемым решением для медицинских экспериментов.

Данные о разработке с детальным описанием сборки, настройки и работы принтера изложены в журнале Advanced Materials и свободно доступны по ссылке. Повторить работу может любой желающий.