A Selyemút fordulata a biotechnológia felé

A Selyemút fordulata a biotechnológia felé

Fiorenzo Omenetto, kezében egy selyem fibroin film, amely különféle feldolgozási technikákat illusztrál. Fotó: Luke Groskin

Van egy üvegszekrény érdekességekkel, amely az ablakos helyiség sarkában áll silklab a bostoni Tufts Egyetemen. Újdonságai között: egy távirányítós repülőgép; csillogó, csillámszerű anyagban tartósított keménytojás fele; néhány csésze, amely a hungarocellre emlékeztet; és több miniatűr koponya.



Az esethez nyúlva Fiorenzo Omenetto, az orvosbiológiai mérnök- és fizikaprofesszor és a labor társigazgatója eltávolítja az egyik kávéscsésze méretű koponyát. „Ez tulajdonképpen „mini Yorick” – viccelődik Omenetto (tanítványai „Fio”-nak hívják), utalva a Shakespeare-ben exhumált karakterre. Hamlet .

Bármennyire is eltérőnek tűnik ez a kis koponya és kíváncsi társai, közös vonásuk van: mindegyiket, legalábbis részben, a selyemben található fehérjéből alakították ki, abból az inas anyagból, amelyet a selyemhernyólepke hernyója termel. Bombyx mori .

Az „érdekességek kabinetje” a Tufts Egyetem silklabjában. Fotó: Julie Leibach

Egyes esetekben a tárgyak inkább giccsesek, mint funkcionálisak – a mellékprojektek Willy Wonka-szerű kreativitást tükröznek, amely Omenetto laboratóriumában virágzik. Itt ő és körülbelül egy tucat diák azt vizsgálta, hogyan lehet a fibroin nevű selyemfehérjét feldolgozni és biológiailag lebomló anyagokká és eszközökké alakítani, amelyek számos alkalmazási lehetőséget kínálnak az orvostudományban és azon kívül is, a diagnosztikai képalkotástól a gyógyszertároláson és -szállításon át egészen a érzékelők az élelmiszer minőségének ellenőrzésére .

„Van egy ötlete, szabadon folytathatja” – mondja Mark Brenckle, a Ph.D. tanuló Omenetto laborjában. – De bármikor, ha nincs ötleted, csak menj be Fio irodájába, és öt perccel később 10-zel kisétálsz.

Az Omenetto egy régi laborjegyzetfüzete, amelyen a „Stuff October 2005” felirat szerepel – abban az évben, amikor csatlakozott Tuftshoz – bizonyítja ezt a tényt. A jegyzetektől hemzsegő „sok ötletet tartalmaz, amelyek akkoriban kissé őrültnek tűntek, de végül valóban valóra váltak” – mondja Omenetto, akinek az irodája egy kis doboz, az ajtaján egy plakáttal, amelyen ez áll: „Én vagyok. Olasz és én nem tudunk nyugton maradni.”

A laborból kiinduló munka egy úttörő kutatásban gyökerezik, amelyet David Kaplan, Tufts orvosbiológiai mérnök professzor végzett. Közel három évtizeddel ezelőtt Kaplan elkezdte tanulmányozni a selyemfibroin, mint természetben előforduló polimer tulajdonságait és funkcióit. Csapata most azt kutatja, hogyan használható a fehérje a szövetfejlesztésben és a regeneratív gyógyászatban, egyéb orvosi alkalmazások mellett. [Ha többet szeretne megtudni Kaplan munkájáról, nézze meg a „.”

Egy évtizednyi kutatás után, gyakran Kaplan csoportjával együttműködve, az Omenetto a selyemfibroint „abszolút csodálatos hídnak” tekinti a biológia és a technológia között a továbbfejlesztett személyre szabott orvoslás felé. „Ez nem csak egy másik anyag” – mondja. – Ez a funkciók gyűjteménye.

Kapcsolódó videó

A féregköpés orvosi csodái

A selymet először textíliává szőtték mintegy 5000 évvel ezelőtt Kínában. Azóta, a tömeggyártás megjelenésével az anyag mindenütt elterjedt, „legyen szó ruházatról, nyakkendőről, lepedőről és párnahuzatról stb.” – mondja Kaplan. 'Nagyon tartós fehérjeszövetként, és valójában ez az oka annak, hogy világszerte ilyen nagy mennyiségben gyártják ezt a fehérjét.' Ezért a selyemhernyó-gubók kutatáshoz beszerzése viszonylag egyszerű és olcsó, mondja. Tufts használt gubókat Japánból, Kínából, Thaiföldről és Indiából, valamint Dél-Amerikából. [A gubóboncolási tevékenységhez .]

A kézben a fehéres, tojás alakú kapszulák kicsik és puhák, mint a filc. A hernyóban azonban a selyem fehérjék, só és víz folyékony keverékeként indul ki, amelyet a selyemmirigynek nevezett szervben tárolnak. Ahogy a selyemhernyó megpörgeti a gubóját, ez a főzet – amelyet a hernyó száján keresztül préselnek ki – hosszú, vékony szálká alakul át, amely „tartós mindenféle környezeti sértés ellen” – mondja Kaplan.

Selyemgubók. Fotó: Luke Groskin

A selyem kutatási célú feldolgozása érdekében a kutatóknak vissza kell alakítaniuk a rostokat folyékony állapotba, és meg kell tisztítani, hogy csak a fibroin fehérjét tartalmazzák. A folyamat viszonylag egyszerű, a következőkből áll: a gubókat apró darabokra vágjuk; ezeket gyenge lúgos oldatban forraljuk; a leváló gossamer rost (a fibroin) öblítése és szárítása; ennek feloldása só oldószerrel; majd dialízist futtatunk vízben, hogy végül vizes fibroinoldatot hozzunk létre. Az elejétől a végéig a módszer viszonylag jóindulatú, és nagyon kevés hulladékot termel.

A vizes oldat kiindulási pontjától a selyemfibroin „nagyon hangolhatóvá” válik, ahogy Kaplan mondja. Más szavakkal, többféle formában is feldolgozható – a sejtnövekedést elősegítő szivacsos állványoktól, a sérült szövetek összetartására szolgáló ragasztógéleken át a törött csontok összekötésére szolgáló megkeményedett szerkezetekig. A feldolgozás történhet egyszerű vízzel, viszonylag alacsony hőmérsékleten, ami nemcsak környezetbarátabb, hanem lehetővé teszi a fehérje más biológiai komponensekkel való keverését is, például sejtekkel, amelyek durvább vegyszereket vagy szélsőséges hőmérsékleteket igénylő körülmények között romolhatnak.

Kapcsolódó oktatási forrás

Boncoljon fel egy selyemhernyógubót

Ha a testbe történő beültetésről van szó, a selyemfibroin számos vonzó tulajdonsággal rendelkezik. Például biokompatibilis, ami azt jelenti, hogy beilleszthető élő szövetekbe anélkül, hogy gyulladásos választ vagy immunrendszeri támadást váltana ki. (Kaplan szerint ezzel szemben a poliészterek – az orvosi eszközökben használt biopolimerek másik népszerű osztálya – hajlamosabbak a gyulladásos reakciókra.) Valójában a selyemvarratokat az FDA már évtizedek óta jóváhagyta (és évszázadok óta használják orvosi célokra), bár „Lényegében semmilyen más orvosi eszköz nem készült selyemből egészen 15 évvel ezelőttig” – mondja Kaplan.

A selyemfibroin emellett biológiailag lebontható és bioreszorbeálható – a szervezetbe kerülve az alkalmazott feldolgozási módszertől függően meghatározott időn belül, óráktól akár évekig is feloldódik.

„Soha nem láttam, nem találtam, vagy nem dolgoztam olyan természetből származó anyagot, amely azt a sokoldalúságot és tulajdonságokat kínálná, amelyeket ezzel a figyelemre méltó fehérjecsaláddal elérhet” – mondja Kaplan.

És amikor Omenetto csatlakozott a Tufts csapatához, a kutatók még egy erényt fedeztek fel: a selyem optikai anyagként való használhatóságát.

Omenettót már régóta vonzza fénnyel. Gyerekként az olaszországi Varesében nőtt fel, analitikus vegyész édesapja meghívta, hogy nézze meg a lángspektroszkópiával kapcsolatos kísérleteket, amelyek egy láng fényét használják az anyagban lévő kémiai elem mennyiségének meghatározására. „Irányított fény és ellenőrzött tűz – nem lesz ennél hűvösebb” – mondja Omenetto, 48. A fény éteri természetének hasznosításának ötlete felkeltette az érdeklődését. „Azt hittem, ez egyfajta fekete mágia” – mondja.

Miután megszerezte alkalmazott fizikából doktorált (elektromos mérnöki diplomával is rendelkezik), Omenetto az optika területén dolgozott a Lost Alamos National Laboratory-ban, és azt vizsgálta, hogyan terjed a lézerekből származó nagy intenzitású fény olyan anyagokon keresztül, mint az optikai szálak (az ág, az ún. nemlineáris optika).

Amikor azonban csatlakozott a Tufts orvosbiológiai mérnöki stábjához, Kaplan nem volt biztos benne, hogy Omenetto szakértelme hogyan illeszkedik majd bele. „Tudtam, hogy nagyon dinamikus, nagyon okos, nagyszerű ötletei voltak – mondja Kaplan –, de pontosan hol Meg kell határozni, hogy a rés a BME-n (orvosbiológiai mérnöki szakon) legyen.”

Egy véletlen találkozás a folyosón kinyilatkoztatáshoz vezetett. Kaplan laboratóriuma szövetmanipulált szaruhártya-implantátumokat fejlesztett ki, amelyek szaruhártyasejtek növekedését vonták maguk után átlátszó és ultravékony, selyem alapú filmekből álló állványon (a kutatás folyamatban van). A technika megkövetelte, hogy a filmeket egymásra rakják – de ahhoz, hogy a tápanyagok és az oxigén átszűrődjenek a kötegeken, hogy elérjék a növekvő sejteket, a rétegek gondos perforálást igényeltek.

Kaplannak feltűnt, hogy „[Omenetto]-ban vannak ezek a divatos lézerek, amelyek mindenféle furcsa dolgot képesek elvégezni az anyagokkal” – emlékszik vissza. Amikor a csarnokban összefutott kollégájával, Kaplan megkérte Omenettót, hogy „dúrjon ki néhány lyukat” az állványzatba.

Omenetto eleget tett, és megdöbbent attól, amit felfedezett. Amikor megvilágította a lézert a vékony selyemfólián, az egyenesen áthaladt, nem pedig szétszóródott a felületen, mint egy durvább anyag esetén. Omenetto azon kapta magát, hogy „Hé, ez egy nagyon jó optikai anyag.”

Valójában a selyem minden látható hullámhosszú fény számára átlátszó, egyenrangú a legtöbb átlátszó műanyaggal vagy üveggel. Másodszor, rendkívül sima, ésszerű törésmutatóval rendelkezik, összehasonlítható az üveggel. Sőt, a selyem mikro- és nanoskálán is feldolgozható, hogy apró geometriai mintákat tartalmazzon, amelyeket úgy terveztek, hogy kölcsönhatásba lépjenek a fénnyel.

Az epifánia elindította Omenetto kutatását. „Elkezdtünk azon gondolkodni, hogy ha biológiai anyagokat is belekevernénk, az nagyon szokatlan optikai eszközöket eredményezne” – mondja.

Selyem alapú mikroprizmatömb, doxorubicinnel adalékolva. A prizma mérete nagyjából 100 mikrométer. Fotó: Fiorenzo Omenetto

Néhány évvel ezelőtt az Omenetto laboratóriuma kifejlesztett egy selyem alapú optikai eszköz kiváló példáját: a lényegében apró tükrök lapot – amelyeket mikroprizmatömböknek is neveznek –, amelyeket úgy terveztek, hogy teljesen beültethetők és felszívódnak a testben. A tükrök teljes egészében selyemfibronból készülnek, amelyet kereskedelmi reflektor anyagból készült formába öntöttek. Amikor fény világít rájuk, mikroméretű geometriai minták tükrözik azt, akár egy stoptábla.

Jelentés be Proceedings of the National Academy of Sciences ( PNAS ) 2012-ben az Omenetto csapata számos lehetséges orvosbiológiai felhasználást mutatott be ezeknek a mikroprizmatömböknek. Egy in vitro kísérletben szövetutánzatokat (úgynevezett fantomokat) használtak annak bemutatására, hogy az eszköz hogyan javíthatja a szöveti képalkotást. Elméleti példaként az az elképzelés, hogy ha a tükröket egy daganat alatti testbe ültetnék be, és közeli infravörös fény világítana a területre, akkor olyan módon vernék vissza a fényt, amely a növekedés méretének méréséhez szükséges kontrasztot hozná létre.

Egy másik kísérletsorozatban a kutatók egy selyemfibroinoldatot töltöttek be, vagy „adalékoltak” doxorubicin nevű rákellenes gyógyszerrel, majd tükrökké formálták. Amikor in vitro enzimeknek tették ki a prizmákat, a tükrök leromlottak – és a visszavert fény csökkent. A fényvisszaverő képesség változásának nyomon követésével azt találták, hogy fel tudják mérni a gyógyszer felszabadulási sebességét.

Noha a tükrök a koncepció bizonyítékai, potenciális alkalmazásukat továbbra is érdemes megfontolni Tiger Tao, a kutatás vezető szerzője szerint. PNAS papír és egykori posztdoktor és kutató az Omenetto laboratóriumában. Ha valaki például lokalizált daganatban szenved, kulcsfontosságú a célzott terápia beadása és a gyógyszerfelszabadulás monitorozása, mert „a rákölő gyógyszerek nagyon csúnyaak” – mondja Tao. 'Győződjön meg arról, hogy a gyógyszer megfelelő sebességgel szabadul fel, hogy leginkább a daganatokat ölje meg, nem pedig a környező jó szöveteket.'

Továbbá, ellentétben sok ma kapható gyógyszerrel, amelyet hűteni kell, a selyem szobahőmérsékleten rendkívül stabil, még akkor is, ha gyógyszerekkel adalékolják. „Ezen szempontok együttesen funkcionálisabbá teszik ezt az egyszerű [tükrös] eszközt” – mondja Tao.

Hozzáadásra tett erőfeszítéseik részeként A selyemfibrin technológiai funkcióját Omenetto és csapata a közelmúltban vizsgálja a selyem elektronikával való interfész képességét.

„Van egy olyan feltörekvő ötlet, hogy a jellemzően egy kontextusban használt bioanyagokat és polimereket vegyük, majd valamilyen érdekes elektronikus funkcionalitást kölcsönözzünk nekik” – mondja Christopher Bettinger, a Carnegie Mellon Egyetem anyagtudományi és orvosbiológiai mérnöki adjunktusa, aki jól ismeri. a Tuftsnál megjelent munkával (társszerzője is volt a papír Kaplannal).

A selyem alapú elektronikus eszközök esetében a kulcs az, hogy „az elektronikus anyagoknak, mint a selyemnek, biológiailag kompatibilisnek és biológiailag felszívódónak kell lenniük” – mondja John A. Rogers, az Illinoisi Egyetem anyagtudományi és mérnöki professzora. az Urbana-Champaignnél, aki az Omenettóval és a Kaplannal dolgozott több projekten. Ellenkező esetben „második műtétre van szüksége, hogy bemenjen és kihalászja a hardvert”.

Ennek érdekében a Rogers és az Omenetto csapata tavaly novemberben tett előrelépéseket, amikor beszámolt egy vezeték nélküli, távirányítós, selyem alapú, „magnézium-fűtőnek” nevezett eszköz kifejlesztéséről, amelyet egy helyi bakteriális fertőzés elpusztítására terveztek.

„Valójában ez volt az első [in vivo] olyan beültethető eszköz demonstrációja, amely szabályozható élettartam mellett teljesen lebontható, és emellett valódi funkciókkal is rendelkezik” – mondja Tao, a tanulmány vezető szerzője. ez a tanulmány , kiadva PNAS . (Lásd a diagramot itt .)

Egy magnézium 'fűtő'. Fotó: Fiorenzo Omenetto

A körülbelül negyed bélyeg méretű találmány vékony, átlátszó selyemfóliákból áll, amelyek egy labirintusnak látszó tárgy köré vannak beágyazva – olyan, amilyeneket egy gyerek egy tevékenységfüzetben old meg, csak apró. Valójában a „labirintus” egy kígyózó ellenállásból és egy magnéziumból készült energiavevő tekercsből áll – ez a szervezet számára nélkülözhetetlen ion. Mivel a magnézium meglehetősen gyorsan lebomlik az élő szövetekben, a selyem védőpajzsként szolgál, és úgy tervezték, hogy lassabban szétessen.

Hasznosságának bizonyítására a kutatók az eszközt a fertőzött egerek bőre alá helyezték Staphylococcus aureus . Távirányítóval jelezték a magnézium tekercsnek, hogy melegítse fel az ellenállást, ami viszont megölte a baktériumokat. A csapat a selyemfibroint is kipróbálta gyógyszerrel, ahogyan a tükröknél is. Azt találták, hogy in vitro a hőleadás kiváltotta a gyógyszer felszabadulását és elpusztította a baktériumokat.

'A jövőkép [ennek az eszköznek] az lenne, hogy ne kelljen rendszeresen szednie a tablettákat' - mondja Rogers. 'Ehelyett az összes szükséges gyógyszer be van ágyazva ebbe a platformba, és akkor egyszerűen meg kell nyomni egy vezeték nélküli ravaszt, hogy kiadják ezeket a gyógyszereket.'

Ezen túlmenően, mivel az eszköz helyi szinten működik, potenciálisan be lehet illeszteni sebészeti bemetszésekbe, mielőtt azokat felvarrnák. 'Valószínűleg a betegek 10-15 százaléka szenved ettől a műtét utáni bakteriális fertőzéstől' - mondja Tao.

Rogers szerint a kutatók jelenleg erre a munkára építenek, és benyújtottak egy újabb dokumentumot, amely reményeik szerint valamikor ezen a nyáron fog megjelenni. Bár végső soron körülbelül hét évbe telne egy olyan eszköz, mint a fűtőtestek, hogy piacra kerüljenek, a koncepciónak van néhány pontja a javára, mondja Rogers.

Egyrészt, mint a selyem varrat formájában, a csapat által használt antibiotikumok már az FDA által jóváhagyottak. 'Az a tény, hogy ezeket az anyagokat más típusú implantátumokhoz használták, bizonyosságot ad arról, hogy az általunk használt anyagokkal nincsenek belső biológiai kompatibilitási kihívások' - mondja. „Nehéz megjósolni ezeket a dolgokat, de úgy gondolom, ésszerű döntéseket hoztunk.”

Természetesen a laborpadról az ágy melletti ugrás más akadályokkal is jár. Előfordulhat, hogy egyes sebészek nem látják szükségét olyan eszközre, amely feloldódik az élő szövetben, mondja Bettinger, és „bizonyos értelemben ezeket az ügyfeleket kell először meggyőzni az ilyen típusú új technológia használatához”.

Selyem fibroin koponyák. Fotó: Luke Groskin

Csábító a selyemfibroint elképzelni mint csodaanyag, és sok szempontból az is. Az Omenetto részéről nem önmagában a selymen kell a hangsúlyt helyezni, hanem arra az erőfeszítésre, hogy a természetes eredetű anyagokat „okos” termékekké alakítsa át, amelyek technológiai funkcióval rendelkeznek és csekély a környezetre gyakorolt ​​hatásuk, legyen az orvosbiológiai vagy életmódvezérelt (gondoljunk csak hordható elektronikára). ). „A selyem minden bizonnyal ürügy. [De] azt hiszem, hogy ez ennél nagyobb” – mondja.

„Úgy gondolom, hogy sok érdekes dolog fog kijönni abból, ha ezeket az anyagokat technológiai alkalmazásokhoz, vagy a bioműanyagok következő generációjához, valamint a mikro- és nanoléptékű specifikus interfészekhez a technológiai alkalmazásokhoz kombináljuk. a biológia együtt” – mondja Omenetto.

A Bettinger például egy elemmel működő, lenyelhető terápiás eszközt fejleszt, amely természetes polimerekből, köztük cukrokból és zsírokból, sőt fahéjfűszerből áll. Az Omenetto saját laboratóriuma a kecskekasmírt tanulmányozta, amely keratint tartalmaz, egy másik biopolimert, amelynek előnye van a selyemmel szemben, mivel jobban érintkezik egyes fémekkel.

Ennek ellenére a selyemút hosszú, mérföldeket kell még felfedezni. „Gondoljon bele, hogyan lehet mindezen [selyem] formákat felerősíteni egyszerű doppingolással, a villogó, élő, oxigént megkötő, gyógyító stb. egyszerű keverésével” – mondja Omenetto. 'A technológia szakácskönyve nagyon kiterjedt.'

*Ezt a cikket 2015. június 12-én frissítettük, hogy tükrözze a következő változásokat: A selyemfibroin elkészítésekor egy dialízis lépésen is át kell mennie, és egy centrifugálási időt is el kell végeznie ahhoz, hogy használható vizes oldattá váljon. Az eredetileg említett mézes árnyalatú, viszkózus oldat az, hogy a fibroin hogyan jelenik meg a sóoldatban. Ezenkívül egy korábbi verzió azt állította, hogy a magnéziummelegítő kísérletben kisebb hőmennyiségre volt szükség a gyógyszer felszabadulásához, mint amikor a selymet nem adalékolták gyógyszerekkel. Hasonló mennyiségű hő volt.