• Artykuły
  • Forum
  • Ciekawostki
  • Encyklopedia
  • Powstanie biosztuczna wątroba?

    31.07.2013. 20:00
    opublikowane przez: Redakcja

    Komórki wątrobowe są bardzo wrażliwe, dlatego trudno je hodować poza organizmem. Naukowcy z Instytutu Biocybernetyki i Inżynierii Biomedycznej im. Macieja Nałęcza Polskiej Akademii Nauk w Warszawie pokazują jednak, że dzięki odpowiedniej konstrukcji mikroreaktora taka hodowla jest możliwa. Zaprezentowany demonstrator można potencjalnie wykorzystać do prób budowy biosztucznej wątroby.


    We współczesnych laboratoriach ludzkie i zwierzęce komórki najczęściej rosną i mnożą się w standardowych naczyniach hodowlanych, w warunkach znacznie różniących się od panujących w żywym organizmie. Fakt ten utrudnia – a niekiedy nawet uniemożliwia – właściwy rozwój wielu rodzajów komórek. W Instytucie Biocybernetyki i Inżynierii Biomedycznej im. Macieja Nałęcza Polskiej Akademii Nauk (IBIB PAN) w Warszawie właśnie zaprezentowano demonstrator mikroreaktora przepływowego do hodowli hepatocytów. Komórki te, występujące w wątrobie, są uważane za szczególnie wybredne pod względem warunków hodowli.

    „W przeciwieństwie do klasycznych hodowli komórkowych w naczyniach, w mikroreaktorach istnieje możliwość precyzyjnego kontrolowania warunków otoczenia komórek, gwarantująca im doskonałe warunki wzrostu. Jednak ponieważ hepatocyty mają bardzo duże wymagania, ich spełnienie nawet w układzie mikroprzepływowym nie jest proste”, mówi dr hab. inż. Dorota Pijanowska, prof. IBIB PAN.

    Zbudowane w IBIB PAN bioreaktory mikroprzepływowe to niewielkie, mieszczące się w dłoni płytki z przezroczystego polimeru. Każdy bioreaktor powstaje poprzez sklejenie dwóch cieńszych płytek, przy czym przed połączeniem badacze w jednej z nich wykonują układ mikrokanalików i prostopadłościennych, płaskich komór hodowlanych (można to zrobić np. przez odciśnięcie „stempla” – krzemowej matrycy). Po połączeniu płytek, do komór hodowlanych bioreaktora wprowadza się komórki. Przepływająca przez układ pożywka w sposób ciągły dostarcza komórkom substancje odżywcze oraz odprowadza metabolity.

    Komórki wątrobowe mają wysokie zapotrzebowanie na tlen. Zapewnienie im dostatecznej ilości tego pierwiastka w całej przestrzeni komory hodowlanej bioreaktora okazało się trudne. „Ze względu na stosunkowo niską rozpuszczalność tlenu w pożywce, w hodowlach komórek aktywnych metabolicznie przy małych prędkościach przepływu może dochodzić do powstawania gradientu stężenia tlenu w komorze hodowlanej”, tłumaczy dr Barbara Wawro (IBIB PAN). Komórki bliższe wlotowi kanału z pożywką mają wtedy tlenu pod dostatkiem, podczas gdy znajdujące się dalej pozostają niedotlenione.

    „Problem był poważny. W wielu przypadkach można go rozwiązać po prostu zwiększając prędkość przepływu pożywki przez komorę hodowlaną. Niestety, większa prędkość przepływu oznacza wzrost naprężeń ścinających, a komórki wątrobowe są na nie bardzo wrażliwe. Dlatego my musieliśmy szukać innych rozwiązań”, wyjaśnia dr Wawro.

    Badacze wykorzystali własności polimeru, z którego budowano mikroreaktor. Polidimetylosiloksan (PDMS) charakteryzuje się jedną z największych przepuszczalności dla gazów. W nowym bioreaktorze komórki rosną na membranie z PDMS grubości 150 mikrometrów. Jest ona dostatecznie wytrzymała, by umożliwiać normalną eksploatację urządzenia, a jednocześnie tak cienka, że tlen z otoczenia może przenikać do wnętrza komory hodowlanej. Niewielka wysokość komory – zaledwie 100 mikrometrów – gwarantuje swobodną dyfuzję gazu w całej objętości bioreaktora i zapewnia znajdującym się w nim hepatocytom równomierny dostęp do tlenu.

    Dodatkową zaletą tak skonstruowanego mikroreaktora jest możliwość prowadzenia podczas hodowli ciągłej obserwacji mikroskopowej mnożących się komórek.

    Obecnie trwają prace nad zmodyfikowaniem bioreaktora. Uczestniczy w nich zespół naukowców z Politechniki Łódzkiej, odpowiedzialny za pokrywanie powierzchni płytek PDMS warstwami diamentopodobnymi o zróżnicowanej teksturze. Warstwy tego typu wpływają na wzrost komórek i mogą umożliwiać kształtowanie się ich pożądanych cech. Z kolei inżynierowie z Akademii Górniczo-Hutniczej zajmują się rozwijaniem narzędzi do optoelektronicznej detekcji komórek.

    „W pojedynczym bioreaktorze nie ma zbyt wielu hepatocytów. Ale nasze bioreaktory mają budowę modułową i można je będzie ze sobą zestawiać. W przyszłości taki zespół potencjalnie mógłby być dostatecznie wydajny, by funkcjonować jako sztuczna wątroba”, zauważa prof. Pijanowska.

    Budowa mikroreaktora do hodowli komórek wątrobowych była jednym z zadań dobiegającego końca projektu MNS-DIAG (Mikro- i NanoSystemy w Chemii i Diagnostyce Biomedycznej), finansowanego z europejskiego Programu Operacyjnego Innowacyjna Gospodarka. W projekcie, koordynowanym przez Instytut Technologii Elektronowej (który był m.in. wykonawcą krzemowych matryc do wytłaczania mikrokanałów bioreaktora), uczestniczy 14 zespołów badawczych z czołowych krajowych instytucji naukowych. Wśród nich znajdują się wyższe uczelnie techniczne, medyczne i rolnicze oraz instytuty badawczo-rozwojowe i PAN.

    Wynikiem współpracy przy realizacji projektu MNS-DIAG jest pięć demonstratorów analityczno-diagnostycznych, przeznaczonych do wykrywania środków psychotropowych w organizmie człowieka, analizy nanolitrowych ilości wydzielin ustrojowych w celu badania stanów patologicznych lub określania faz płodności, hodowli komórek biologicznych (tkanek) o kontrolowanych cechach, badania wybranych cech stanu organizmu człowieka z użyciem technologii mikrosystemów, oraz detekcji bakterii Gram-ujemnych i wydzielanych przez nie endotoksyn.


    Instytut Biocybernetyki i Inżynierii Biomedycznej im. Macieja Nałęcza Polskiej Akademii Nauk (IBIB PAN) w Warszawie jest największym centrum badawczym w dziedzinie inżynierii biomedycznej w Polsce. Główne kierunki badawcze Instytutu to biopomiary w połączeniu z komputerowym przetwarzaniem danych i ich analizą do celów diagnostyki medycznej oraz wspomaganie i zastępowanie utraconych funkcji organizmu przy użyciu narzędzi technicznych i hybrydowych (techniczno-biologicznych) z uwzględnieniem matematycznych i fizycznych modeli wybranych narządów i układów fizjologicznych oraz ich symulacji komputerowej. W Instytucie funkcjonuje Centrum Doskonałości zajmujące się sztucznymi i hybrydowymi narządami wewnętrznymi wspomagającymi metabolizm. IBIB PAN jest koordynatorem krajowej sieci naukowej BIOMEN, prowadzącej badania w dziedzinie inżynierii biomedycznej. Wyniki prac badawczych IBIB PAN, w postaci oryginalnych systemów diagnostycznych i metod terapeutycznych, wdrożono do praktyki klinicznej w wielu polskich ośrodkach medycznych.


    Czy wiesz ĹĽe...? (beta)
    Jan Maria Wójcicki (ur. 1946, zm. 28 grudnia 2013 w Warszawie) – polski specialista w zakresie inżynierii biomedycznej, prof. dr hab., dyrektor Instytutu Biocybernetyki i Inżynierii Biomedycznej im. Macieja Nałęcza (IBIB) PAN (od 2007 r.), członek korespondent PAN. Juliusz Lech Kulikowski (ur. w 1931 w Nowym Mieście Lubawskim) – profesor specjalizujący się w biocybernetyce i inżynierii biomedycznej, pracuje w Instytucie Biocybernetyki i Inżynierii Biomedycznej PAN. Obszar Jego badań naukowych to: systemy informatyczne, techniki fal ultrakrótkich, teoria informacji, zastosowania komputerów w medycynie, informacji naukowej i badaniach doświadczalnych. Wydział Elektrotechniki, Automatyki, Informatyki i Inżynierii Biomedycznej Akademii Górniczo-Hutniczej w Krakowie: Wydział Elektrotechniki, Automatyki, Informatyki i Inżynierii Biomedycznej (EAIiIB) Akademii Górniczo-Hutniczej im. St. Staszica w Krakowie aktualną nazwę przyjął w roku 2012 po restrukturyzacji Wydziału Elektrotechniki, Automatyki, Informatyki i Elektroniki. Wydział EAIiIB jest kontynuatorem kształcenia na kierunku Inżynieria Biomedyczna w miejsce Międzywydziałowej Szkoły Inżynierii Biomedycznej.

    Hemoglobina płodowa (HbF lub α2γ2) - to główne białko transportujące tlen u ludzkiego płodu w ciągu ostatnich 7 miesięcy rozwoju w macicy i noworodka do około 6 miesiąca życia. Funkcjonalnie hemoglobina ta różni się od hemoglobiny osób dorosłych tym, że wykazuje wyższe powinowactwo do tlenu i wysyca się nim przy niższym ciśnieniu parcjalnym. Dzięki temu rozwijający płód ma lepszy dostęp do tlenu z krwi matki. Ma to duże znaczenie, ponieważ miejscem wymiany gazowej między matką a płodem jest łożysko w którym dochodzi do wymiany tlenu i dwutlenku węgla. W łożysku stężenie tlenu nie jest wysokie, więc hemoglobina odłącza tlen. Gdyby we krwi płodu była taka sama hemoglobina jak we krwi matki, nie mogłaby wiązać dużych ilości tlenu. HbF w warunkach tlenowych łożyska bardzo silnie wiąże tlen, bo wysyca się nim przy niższych stężeniach i może go przenosić z łożyska do narządów płodu. Optyka biomedyczna (biooptyka) – dziedzina medycyny z zakresu inżynierii biomedycznej, zajmująca się wykorzystaniem światła w badaniach obiektów biologicznych, w diagnostyce medycznej i terapii.

    Instytut Rozrodu Zwierząt i Badań Żywności Polskiej Akademii Nauk w Olsztynie – jednostka prowadząca badania podstawowe w dziedzinach nauk rolniczych, weterynaryjnych oraz biologicznych. Wyniki badań mają zastosowanie w przemyśle spożywczym, przetwórczym, w hodowli zwierząt a także w medycynie weterynaryjnej i ludzkiej. Inżynieria biomateriałów jest dziedziną nauki interdyscyplinarnej, która sprowadza się do badania i wytwarzania materiałów biozgodnych, implantów, aparatury medycznej i sztucznych narządów. Jej szerokie zastosowanie możemy dostrzec w inżynierii genetycznej, biotechnologii i inżynierii biomedycznej.

    Dławienie jest zjawiskiem zmniejszenia się ciśnienia płynu przy przepływie przez przeszkodę w postaci zwężenia przekroju (np. przez zawór lub tarczę z otworem zainstalowana w przewodzie). Przy przepływie przez przewężenie prędkość płynu (szczególnie gazów) zwiększa się ciśnienie i temperatura spadają. Za przewężeniem prędkość strugi gazu zmniejsza się na skutek tarcia wewnętrznego. Równocześnie podwyższa się temperatura i w pewnym stopniu ciśnienie, jednak nie osiąga ona wartości występującej przed przewężeniem. Jednostki naukowe Polskiej Akademii Nauk – sieć placówek naukowych oraz instytucji wspomagających ich funkcjonowanie, prowadzonych i nadzorowanych przez Polską Akademię Nauk. Podstawową formą placówki naukowej PAN jest instytut badawczy. Oprócz tej formy działalności funkcjonują również centra naukowe, zakłady naukowe, biblioteki oraz placówki doświadczalne. Zasadniczo jednostki naukowe podlegają Wydziałom Akademii. Istnieje również kilka jednostek pozawydziałowych, podległych bezpośrednio Prezydium Akademii.

    Przepływ laminarny jest to przepływ uwarstwiony w którym płyn przepływa w równoległych warstwach, bez zakłóceń między warstwami. Przepływ taki zachodzi przy odpowiednio małej prędkości przepływu. Graniczną prędkość przepływu, przy której ruch laminarny przechodzi w turbulentny można dla określonego płynu i warunków przepływu obliczyć na podstawie liczby Reynoldsa.

    Wstrząs - nagły kliniczny stan zagrożenia życia, w którym na skutek dysproporcji między zapotrzebowaniem a dostarczeniem odpowiedniej ilości tlenu i substancji odżywczych do komórek organizmu dochodzi do upośledzenia funkcji i niewydolności wielu narządów. Może mieć różne przyczyny, jednak przebieg w większości przypadków jest podobny i ma podobne skutki – może prowadzić do utraty przytomności, niewydolności wielonarządowej, a nawet zgonu.

    Krajowe Centrum Hodowli Zwierząt - państwowa jednostka budżetowa z siedzibą w Warszawie, której głównym zadaniem jest ocena wartości użytkowej i hodowlanej zwierząt, kontrola hodowli i rozrodu oraz dostarczanie informacji na ten temat. Hipoperfuzja - zmniejszony przepływ krwi przez tkankę lub narząd. Może prowadzić to do upośledzenia wymiany substancji pomiędzy krwią, a komórkami, w tym glukozy oraz tlenu. Niedobór tlenu jest przyczyną przejścia na metabolizm beztlenowy, prowadzący do obniżenia pH w miejscach objętych hipoperfuzją. Nasilona hipoperfuzja może prowadzić do martwicy oraz niewydolności danego narządu. W przypadku hipoperfuzji pęcherzyków płucnych zostaje utrudniona wymiana gazów oddechowych pomiędzy powietrzem oddechowym, a krwią, co może być przyczyną niewydolności oddechowej.

    Dodano: 31.07.2013. 20:00  


    Najnowsze