معلومة

ما هي مبادئ هندسة الخلايا الجذعية؟


لنفترض أنك تريد تحويل خلية الجلد إلى خلية جذعية متعددة القدرات. أعلم أن هناك عددًا قليلاً من الجينات التي تم تحديدها لهذا الغرض (جائزة نوبل الأخيرة). ولكن بصرف النظر عن العثور على مثل هذه الجينات ، يبدو أيضًا أنها تنطوي على الحفاظ على البيئة المناسبة ، بحيث لا يتم تشغيل بعض المستقبلات الحرجة وتغيير التعبير بالكامل. يبدو أيضًا أنه ينطوي على ضمان استقرار التعبير الجيني بعد حدوث التغيير. هل يمكن لشخص أن يضيف إلى هذا؟ ما هي الأفكار النموذجية الواسعة في هندسة الخلايا الجذعية؟


أدوار عوامل إعادة البرمجة Oct4 و Sox2 و Klf4 في إعادة ضبط إبيجينوم الخلية الجسدية أثناء توليد الخلايا الجذعية المستحثة متعددة القدرات

بُنيت تقنية إعادة البرمجة الحالية ، التي ابتكرها تاكاهاشي وياماناكا 1 ، على العديد من التطورات الجوهرية في مجال علم الأحياء التطوري. أولاً ، أظهرت تجارب النقل النووي أن نواة الخلية الجسدية يمكن إعادة ضبطها جينيًا إلى حالة نمو مبكرة [2]. ثانيًا ، تم تطوير ظروف زراعة الخلايا التي سمحت بعزل وثقافة الخلايا متعددة القدرات ، المسماة بالخلايا الجذعية الجنينية (ES) ، من الكتلة الخلوية الداخلية للكيسة الأريمية البشرية والفأرية [3،4]. أخيرًا ، أدت دراسة هذه الخلايا والتطور الجنيني المبكر إلى تحديد العوامل التي كانت قادرة في النهاية على إعادة برمجة الخلايا الليفية الجنينية للفأر (MEFs) إلى حالة خلية iPS عندما يتم التعبير عنها خارج الرحم ، وإن كان بتردد منخفض.

إعادة برمجة الخلايا الجسدية هي عملية متعددة الخطوات تبلغ ذروتها في التعبير عن جينات متعددة القدرات مثل نانوج. على الرغم من حدوث التغيرات المورفولوجية في المراحل المبكرة والمتوسطة من إعادة البرمجة ، إلا أن التعبير الجيني متعدد القدرات لا يحدث إلا خلال المرحلة المتأخرة ويشير إلى إعادة البرمجة الصادقة.

كوكتيل إعادة البرمجة الأساسي ، الذي يتكون من عوامل النسخ 4 أكتوبر ، Sox2 و Klf4 يمكن زيادتها عن طريق إضافة عوامل تعزز كفاءة توليد خلايا iPS

إنها عملية متعددة الخطوات حيث لا تزال هناك حاجة إلى الكثير من البحث ،

عادة ما يكون التردد الذي تتحول به الخلايا الجسدية إلى خلايا iPS أقل من 1٪. لذلك ، تم بذل الكثير من الجهد لتحسين إعادة البرمجة.

خاصة لزيادة كفاءة توليد خلايا iPS

وقد ثبت أيضًا أن قدرة الخلايا على المرور عبر دورة الخلية عامل مهم في كفاءة إعادة البرمجة. الضربة القاضية أو الحذف الجيني لـ p53 أو p21 أو البروتينات المعبر عنها من موضع Ink4 / Arf يسمح للخلايا التي تخضع لإعادة البرمجة لتجنب تنشيط نقاط فحص دورة الخلية والشيخوخة الخلوية ، مما يؤدي إلى تكوين أكبر لخلية iPS [21] ، 24-27].

يتغير التعبير الجيني أثناء إعادة البرمجة


أولاً وقبل كل شيء ، علاجات الخلايا الجذعية هي علاجات خلوية تنظمها ، في الولايات المتحدة ، وكالات مثل FACT (أساس علاجات الخلايا المعتمدة) ، و CAP (كلية علماء الأمراض الأمريكية) و FDA (إدارة الغذاء والدواء). يجب أن يكون التصنيع متوافقًا مع معايير GTP (الممارسات الجيدة للأنسجة) و GMP (ممارسات التصنيع الجيدة). حتى وضع العلامات على المنتجات ينتقل إلى النظام المنسق ISBT128 ، الذي يديره ICCBBA (المجلس الدولي للقواسم المشتركة في أتمتة بنوك الدم). النقطة الأساسية هنا هي أن كل شيء منظم بإحكام ، ويتم إنتاجه وفقًا لمعايير صارمة للسلامة والمطابقة والتوثيق. ليس الجميع معتمدين من قبل FACT ، ولكن الفوائد أصبحت ذات أهمية متزايدة ، خاصة لمقدمي التأمين (المرجع). من المؤكد أن تصنيع العلاجات مكلف. تبلغ تكلفة العلاجان المناعيان CAR-T المعتمدان من قِبل إدارة الأغذية والعقاقير YESCARTA و Kymriah حوالي 500000 دولار.

لذلك لديك عدد من أنواع العلاج بالخلايا الجذعية. يعتبر زرع نخاع العظم علاجًا للخلايا الجذعية ، ومن ثم يكون لديك علاجات تشمل الخلايا الجذعية الجنينية البشرية (hESC) والخلايا الجذعية البشرية متعددة القدرات (hiPSC).

فيما يتعلق بـ hiPSC ، نجحت المجموعات في الاستنبات باستخدام عوامل النسخ مثل Oct4 و Sox2 و Klf2 وما إلى ذلك ، وفي استخدام فيروس سينداي لتوصيل عوامل النسخ هذه مباشرةً داخل الخلية (مجموعة أدوات إعادة برمجة سينداي Cytotune®-iPS Sendai ، فيديو يوتيوب).

يمكننا أيضًا أن نرى أنه يمكن الحصول على الخلايا الجذعية في مكان آخر ولا تحتاج بالضرورة إلى تحفيزها. يمكنك الحصول على hESC من الأجنة ودم الحبل السري ، ويمكن تحريك الخلايا الجذعية المكونة للدم (HSC) من النخاع باستخدام كوكتيل من الأدوية (مثل plerixafor و GM-CSF) ويتم حصادها باستخدام الفصادة.

لذلك فقط للحصول على مثال واقعي لما تفكر فيه: تم نشر أوراق عن إنتاج خلايا ß الحساسة للجلوكوز والمفرزة للأنسولين من hESC باستخدام ظروف استزراع يتم التحكم فيها بعناية (المرجع) ، وقد استفادت الشركات من هذه التكنولوجيا. الغرسات تحت الجافية التي تستخدم هذا النظام هي في التجارب السريرية في الوقت الحالي. ينتجون الخلايا ß من hESC عن طريق التحكم في الثقافات:

المصدر: 1،2

تُظهر عوامل النسخ الموجودة على طول الجزء السفلي من الشكل ، والتي قمت بلصقها معًا من مصدرين ، عوامل النسخ التي يجب أن تكون نشطة في تلك المرحلة. يمكن تخمين هوية المنتج النهائي من خلال مجموعة من عوامل النسخ التي يجب ويجب ألا تكون نشطة. من المهم أيضًا أن تدرك ذلك هناك إرادة تكون خارج الخلايا المستهدفة ، ولكن يجب التحقق من صحة العملية لضمان بقاء الخلايا المستهدفة في نطاق مقبول كما هو محدد أثناء التطور قبل السريري.

سيحتاج المصنعون أيضًا إلى اختبار نقاء خلاياهم وعقمها وفاعليتها. أصبحت فحوصات الفاعلية شيئًا من صلاحيات إدارة الغذاء والدواء الأمريكية ، حيث يمكن لأي شخص إنتاج خلية ، ولكن كيف يمكنهم القول إنها فعالة أو تقوم بما يتم تسويقها من أجله؟ قد يكون أحد الأمثلة على اختبار الفعالية عبارة عن ثقافتين ، إحداهما تحتوي على الجلوكوز والأخرى بدونها ، هل تفرز إحداهما أنسولين أكثر من الأخرى؟ يمكنك اختيار هذا الاختبار لأن آلية العمل المقترحة لخلايا البيتا هي أنها تستجيب للجلوكوز وتفرز الأنسولين.

بالنسبة للعقم ، يبيعون بعض المجموعات الجيدة مثل زجاجات الاختبار الهوائية واللاهوائية للتنبيه BacT ، ومجموعات اختبار الميكوبلازما ، كما يمكنك عمل لوحات الاستنبات وصمة عار الجرام. لا يمكن نقع المنتجات التي لا تُظهر عقمًا بنسبة 100٪ ، وبالتالي فإنه يترتب على ذلك عمومًا أنه يمكن إجراء إصدارات استثنائية للعديد من المشكلات الأخرى من قبل الطبيب ، ولكن التلوث سيوقف منتج العلاج بالخلايا عن مساره.

أنت أيضًا محق في تلك العلاجات الخلوية التي تتضمن خطوة تعديل الجينات تحتاج إلى النظر في أشياء مثل كفاءة النقل ، ومعيار الفيروس الحي ، والتعبير عن الجزيئات المتعلقة بالتنقل وما إلى ذلك. تعد مجموعة sendovirus المشار إليها أعلاه اختيارًا عادلاً لأنها كما توضح ، بعد عدة مقاطع ، فإن عيار الفيروس غير المتكامل لا يكاد يذكر. بالنسبة للإدارة البشرية ، في فضاء CAR-T ، طلبت إدارة الغذاء والدواء الأمريكية أن الدراسات التي تم فيها حقن CAR-T لمتابعة المرضى لمدة 15 عامًا بعد العلاج لدراسة تأثير غرس النواقل المنقولة فيروسيًا. لا أعتقد أن هناك إجابة واضحة عما إذا كان الفيروس يمثل مشكلة. ومع ذلك ، فأنت محق أيضًا في أنه من الضروري اختبار استقرار الجين (الجينات) المنقولة ، خاصة من خلال المرور ، والتثبيت ، والحفظ بالتبريد. كل هذا موضح بشكل جيد هنا.


ما هي الهندسة الطبية الحيوية؟

الهندسة الطبية الحيوية هي تطبيق مبادئ وتقنيات حل المشكلات في الهندسة على علم الأحياء والطب. يتضح هذا في جميع أنحاء الرعاية الصحية ، من التشخيص والتحليل إلى العلاج والشفاء ، وقد دخل إلى الوعي العام من خلال انتشار الأجهزة الطبية القابلة للزرع ، مثل أجهزة تنظيم ضربات القلب والوركين الاصطناعية ، إلى المزيد من التقنيات المستقبلية مثل هندسة الخلايا الجذعية و 3-D طباعة الأعضاء البيولوجية.

الهندسة نفسها مجال مبتكر ، أصل الأفكار التي تقود إلى كل شيء من السيارات إلى الفضاء ، وناطحات السحاب والسونار. الهندسة الطبية الحيوية يركز على التطورات التي تحسن صحة الإنسان والرعاية الصحية على جميع المستويات.

يختلف مهندسو الطب الحيوي عن التخصصات الهندسية الأخرى التي لها تأثير على صحة الإنسان في أن مهندسي الطب الحيوي يستخدمون ويطبقون معرفة وثيقة بالمبادئ البيولوجية الحديثة في عملية التصميم الهندسي. تتكامل جميع جوانب الهندسة الميكانيكية والهندسة الكهربائية والهندسة الكيميائية وعلوم المواد والكيمياء والرياضيات وعلوم الكمبيوتر والهندسة مع علم الأحياء البشري في الهندسة الطبية الحيوية لتحسين صحة الإنسان ، سواء كانت طرفًا اصطناعيًا متقدمًا أو اختراقًا في تحديد البروتينات داخل الخلايا.

هناك العديد من التخصصات الفرعية في الهندسة الطبية الحيوية ، بما في ذلك تصميم وتطوير الأجهزة الطبية النشطة وغير الفعالة ، وزرع العظام ، والتصوير الطبي ، ومعالجة الإشارات الطبية الحيوية ، وهندسة الأنسجة والخلايا الجذعية ، والهندسة السريرية ، على سبيل المثال لا الحصر.


الخلية & # 038 هندسة الأنسجة

تركز هندسة الخلايا والأنسجة على تطبيق المبادئ الفيزيائية والهندسية لفهم سلوك الخلية والأنسجة والتحكم فيه. تركز الهندسة الخلوية على الظواهر على مستوى الخلية ، بينما تسعى هندسة الأنسجة والطب التجديدي إلى توليد أو تحفيز أنسجة جديدة لعلاج الأمراض.

المجالان اللذان أنشأ فيهما القسم قيادة خاصة هما علم الأحياء الميكانيكي الخلوي ، والذي يركز على فهم التفاعل والتحويل بين المعلومات القائمة على القوة والمعلومات البيوكيميائية في الأنظمة الحية ، وهندسة الخلايا الجذعية ، والتي تشمل منصات لتوسيع وزرع وتعبئة الخلايا الجذعية لإصلاح واستبدال الأنسجة.

أعضاء هيئة التدريس في هندسة الخلايا والأنسجة:

عميد أ.ريتشارد نيوتن أستاذ ميموريال ، الهندسة الحيوية
كبير علماء الكلية ، قسم علم الجينوم البيئي وبيولوجيا الأنظمة ، مختبر لورانس بيركلي الوطني
مدير معهد بيركلي للبيولوجيا التركيبية
الرئيس التنفيذي / CSO ، قاعدة المعرفة ببيولوجيا أنظمة وزارة الطاقة
الباحث الرئيسي والمدير المشارك ، ENIGMA SFA

يركز بحث Arkin Lab على الأنظمة والبيولوجيا التركيبية للكائنات الحية الدقيقة. هم خبراء في النظرية والحساب والتجارب المحيطة بنمذجة النظم البيولوجية على المستوى الجزيئي والسكان وقد طوروا عددًا من تقنيات مقياس الجينوم التي يمكننا من خلالها تقييم الوظيفة الجينية للكائنات الحية الدقيقة غير المميزة بسرعة. تمتد نماذج المعمل إلى التحليل القطعي والعشوائي لكل من الأنظمة المتجانسة والموزعة مكانيًا.

أستاذ الهندسة الحيوية
أستاذ هندسة ميكانيكية

نظرية وتطبيقات الميكانيكا الصلبة على المواد التقليدية والمواد الحيوية.

ركز عملنا على إنشاء نماذج جديدة في شيخوخة الخلايا الجذعية متعددة الأنسجة ، وتجديد شبابها وتنظيمها من خلال مسارات إشارات مورفوجينية محفوظة. يتمثل أحد أهدافنا في تحديد علم العقاقير لتحسين صيانة وإصلاح أنسجة البالغين في الجسم الحي. لقد أثبتت الدراسات التي قادناها عن تعاطي التعايش المزمن غير المتجانس ودراسات فصادة الدم أن عملية الشيخوخة يمكن عكسها من خلال تعديل بيئة الدورة الدموية. تركز طريقتنا المختارة في البيولوجيا التركيبية على وضع علامات الأحماض الأمينية غير المتعامدة الحيوية (BONCAT) والتعرف اللاحق على التغيرات المفروضة على العمر والتغيرات المسببة للأمراض في بروتينات الثدييات في الجسم الحي. تركز مشاريعنا الطبية الخاصة بتوصيل الأدوية على العلاجات القائمة على CRISPR / Cas9 من أجل تحرير الجينات بشكل أكثر فعالية وأمانًا.

أستاذ مقيم ، قسم الهندسة الحيوية
أستاذ ورئيس قسم الهندسة الحيوية والعلوم العلاجية بجامعة كاليفورنيا في سان فرانسيسكو

يركز مختبر الدكتور ديساي في مجال الطب الحيوي الدقيق وتكنولوجيا النانو لتقديم العلاج. يمتد بحث البروفيسور ديساي إلى تخصصات متعددة بما في ذلك هندسة المواد وبيولوجيا الخلية وهندسة الأنسجة وتوصيل الأدوية.

كرسي Purnendu Chatterjee في هندسة النظم البيولوجية ، الهندسة الحيوية
عالم كلية ، مختبر لورانس بيركلي الوطني

يطور مختبر فليتشر تقنيات تشخيصية ويدرس التنظيم الميكانيكي للأغشية والهيكل الخلوي في سياق حركية الخلية ، والإشارات ، والتفاعلات بين المضيف والممرض. نحن متخصصون في تطوير تقنيات الفحص المجهري البصري ، والفحص المجهري للقوة ، وتقنيات الموائع الدقيقة لفهم المبادئ التنظيمية الأساسية من خلال إعادة التكوين في المختبر وتجارب الخلايا الحية. تشمل الأعمال الحديثة التحقيق في الكيمياء الحيوية الميكانيكية لتجميع شبكة الأكتين المتفرعة مع الفحص المجهري للقوة ، ودراسة تشوه الغشاء عن طريق ازدحام البروتين وقلة القلة بأغشية النموذج ، وإعادة تشكيل تحجيم المغزل في المستخلصات السيتوبلازمية المغلفة. الهدف طويل المدى لعملنا هو فهم وتسخير التنظيم المكاني للتطبيقات العلاجية في السرطان والأمراض المعدية.

جان فاندريانتو أستاذ الهندسة الحيوية
أستاذ علوم المواد والهندسة # 038

تؤكد الأبحاث في Healy Lab على العلاقة بين المواد والخلايا أو الأنسجة التي تتصل بها. يركز برنامج البحث على تصميم وتوليف المواد المستوحاة بيولوجيًا التي توجه بنشاط مصير خلايا الثدييات وتسهل تجديد الأنسجة والأعضاء التالفة. تركزت الاكتشافات الرئيسية من مختبره على التحكم في مصير الخلايا وتكوين الأنسجة بالتعاقد مع المواد القابلة للضبط في كل من محتواها البيولوجي وخصائصها الميكانيكية. يتمتع البروفيسور هيلي أيضًا بخبرة واسعة في تقنيات الخلايا الجذعية البشرية وأنظمة الفيزيولوجيا الدقيقة وأنظمة توصيل الأدوية وعلاجات الاقتران الحيوي الجديدة.

أستاذ مساعد ، الهندسة الحيوية

أستاذ مساعد ، الهندسة الحيوية

يهدف مختبر Hsu إلى فهم الدوائر الجينية التي تتحكم في وظائف الدماغ والخلايا المناعية ومعالجتها لتحسين صحة الإنسان. نستكشف التنوع البيولوجي الغني للطبيعة لإنشاء تقنيات جزيئية جديدة ، وتعطيل العمليات الخلوية المعقدة على نطاق واسع ، وتطوير علاجات الجينات والخلايا من الجيل التالي. للقيام بذلك ، تستمد مجموعتنا من مجموعة من التقنيات التجريبية والحاسوبية بما في ذلك أنظمة CRISPR-Cas ، وعلم جينوم الخلية المفردة ، والفيروسات المهندسة ، وعضويات الدماغ ، والشاشات الجينية المجمعة.

تشمل الاهتمامات الحالية 1) ابتكار أساليب جديدة لتحرير جينوم ما بعد التقلص ، 2) تطوير مركبات هندسية لتسليم الجزيئات العلاجية ، و 3) الاستفادة من شاشات المكتبة وعضويات الدماغ لاستجواب علم الأعصاب البشري على نطاق واسع.

المستشارين أستاذ الهندسة الحيوية
عمداء أستاذ الهندسة الميكانيكية

الميكانيكا الحيوية لتصميم العظام القشرية والتربيقية للأطراف الاصطناعية للعمود الفقري وكسر العظام وهندسة أنسجة هشاشة العظام.

أستاذ ورئيس قسم الهندسة الحيوية
أستاذ الهندسة الكيميائية والجزيئية الحيوية
أستاذ في الإقامة ، الهندسة الحيوية والعلوم العلاجية ، جامعة كاليفورنيا في سان فرانسيسكو
عالم كلية ، النظم البيولوجية والهندسة ، LBNL

يسعى مختبرنا إلى فهم وهندسة الاتصالات الميكانيكية والفيزيائية الحيوية الأخرى بين الخلايا والمواد. بالإضافة إلى التحقيق في الجوانب الأساسية لهذه المشكلة باستخدام مجموعة متنوعة من التقنيات الدقيقة / النانوية ، فنحن مهتمون بشكل خاص باكتشاف كيف تنظم هذه الإشارات الورم وبيولوجيا الخلايا الجذعية في الجهاز العصبي المركزي. تضمنت الاتجاهات الحديثة ما يلي: (1) هندسة منصات زراعة الأنسجة المحاكية الجديدة للدراسات الفيزيائية الحيوية ، والتحليل الجزيئي ، والفحص (2) استكشاف أنظمة الإشارات البيولوجية الميكانيكية كأهداف للحد من غزو أورام الدماغ وتعزيز تكوين الخلايا العصبية للخلايا الجذعية و (3) إنشاء مواد حيوية جديدة مستوحاة من الشبكات الهيكلية الخلوية.

دفعة عام 1941 أستاذ الهندسة الحيوية وعلوم وهندسة المواد

يهتم مختبري بفهم علاقات التركيب والممتلكات في المواد البيولوجية واستخدام هذه المعلومات لتصميم مواد مستوحاة من الناحية البيولوجية لاستخدامها في الرعاية الصحية. تشمل الدراسات الأساسية الجزيء المفرد والدراسات الفيزيائية الحيوية السائبة للظواهر البيولوجية البينية والظواهر الكيميائية الميكانيكية السائبة في المواد البيولوجية ، بينما دراساتنا التطبيقية في تصميم وتركيب مواد حيوية جديدة لإصلاح الأنسجة وتجديدها.

أستاذ الهندسة الحيوية
أستاذ هندسة ميكانيكية
عالم كلية ، مختبر لورانس بيركلي الوطني

يركز برنامجنا البحثي على فهم بيولوجيا الخلية والآليات الجزيئية المشاركة في الأمراض البشرية ، ولا سيما اختلالات القلب والأوعية الدموية واضطرابات الدماغ والعصبية والسرطان.

يركز مختبرنا على تطوير مواد جديدة لتوصيل الأدوية والتصوير الجزيئي.

أستاذ هندسة ميكانيكية
لورنس تالبوت أستاذ الهندسة الميكانيكية

توصيف التطور الهيكلي في مادة البولي إيثيلين ذات الوزن الجزيئي العالي للغاية من الدرجة الطبية بسبب التعقيم: الآثار المترتبة على استبدال المفصل الكلي.

أستاذ فخري في الهندسة الحيوية
أستاذ فخري ، الطب ، جامعة كاليفورنيا في سان فرانسيسكو

ينصب تركيز البحث على الميكانيكا الحيوية لليد والذراع وتصميم أدوات ومهام مكان العمل من أجل تحسين الإنتاجية وجودة العمل مع منع إجهاد الأطراف العلوية وإصاباتها. درس المعمل تصميمات الأجهزة اللوحية ، وواجهات الإيماءات ، ولوحات المفاتيح ، والفئران ، وماصات ، وشاشات اللمس ، وأدوات طب الأسنان ، وتدريبات البناء ، والكراسي ، والأدوات الزراعية. يأتي التمويل بشكل أساسي من NIH و CDC ولكن أيضًا من Hewlett-Packard و Microsoft و BART و Logitech و Herman-Miller.

أستاذ فخري في الهندسة الحيوية
أستاذ في كلية الدراسات العليا الهندسة الميكانيكية

الأجهزة الإلكترونية الحيوية ، النقل الحيوي ، التصوير الطبي ، التصوير المقطعي بالمعاوقة الكهربائية.

أستاذ الهندسة الكيميائية و # 038 الهندسة الجزيئية الحيوية والهندسة الحيوية والجزيئية و # 038 بيولوجيا الخلية
مدير مركز بيركلي للخلايا الجذعية


علم الأحياء التجديدي وهندسة الأنسجة

تشوه الأعضاء وتلفها وفشلها هي الأسباب الأكثر شيوعًا للمراضة والوفيات البشرية. يُقدر سنويًا أن أكثر من 35000 طفل سيولدون بتشوهات في الأعضاء ، و 100.000 شخص ستُبتَر أطرافهم ، و 5000 شخص ينتظرون الأعضاء سيموتون دون تلقي عملية زرع ، ويموت مليون شخص من أمراض الأعضاء. الهدف من موضوع علم الأحياء التجديدي وهندسة الأنسجة (RBTE) هو تطوير قاعدة المعرفة والتقنيات اللازمة لاستبدال أو تجديد الأنسجة والأعضاء البشرية وبالتالي حل هذه المشكلات الصحية الخطيرة والمساهمة في تحسين جودة الحياة والرفاهية.

لتحقيق هذا الهدف ، يتابع علماء RBTE ثلاث طرق بحث ذات صلة. أولاً ، يستخدم علماء RBTE الخلايا الجذعية والنهج التنموي للتحقيق في كيفية تكوين الأعضاء وتجديدها. ثانيًا ، يستخدم علماء RBTE المعرفة المكتسبة من دراسات الخلايا الجذعية والنمائية لتجديد الأنسجة والأعضاء في سلسلة من الكائنات الحية النموذجية وغير النموذجية. ثالثًا ، يقوم علماء RBTE بترجمة أبحاثهم من الكائنات الحية النموذجية وغير النموذجية إلى البشر. تتم مناقشة طرق البحث الثلاثة هذه بمزيد من التفصيل أدناه. من خلال هذا النهج متعدد الأوجه ، يخطو علماء RBTE خطوات كبيرة نحو تطوير تقنيات التجديد التي ستؤثر بشكل إيجابي على حياة العديد من الأشخاص الذين يعانون من تشوه الأعضاء وتلفها وفشلها.

الخلايا الجذعية والبيولوجيا التنموية: يوفر فهم العمليات الخلوية والتنموية الكامنة وراء نمو الأعضاء والأنسجة أساسًا حاسمًا وضروريًا لتجديد الأعضاء والأنسجة. تجديد الأعضاء عملية معقدة تتطلب الاستبدال المتزامن للعظام وعضلات الهيكل العظمي والأوتار ، وإعادة نمو الأعصاب والأوعية الدموية والجلد. لذلك ، قبل أن يتم تجديد الأعضاء ، يجب فهم الأساس التطوري لكل هذه الأحداث. لتحقيق هذا الهدف ، يستخدم علماء RBTE مجموعة متنوعة من مناهج البحث التي تقع في فئتين عريضتين: أبحاث الخلايا الجذعية وعلم الأحياء التنموي. فيما يتعلق بأبحاث الخلايا الجذعية ، يدرس علماء RBTE تحديد مصير الخلية. في هذا البحث ، يقوم علماء RBTE بالتحقيق في الإشارات التي تحول خلية غير متمايزة إلى خلية خاصة بنسيج أو عضو. فيما يتعلق بالبيولوجيا التطورية ، يبحث علماء RBTE في العمليات الخلوية والجزيئية التي تدعم نمو الأعضاء والأنسجة الطبيعية في الكائنات الحية النموذجية وغير النموذجية.

التجديد في النماذج الحيوانية: يطبق علماء RBTE المعرفة المكتسبة من البحث في الخلايا الجذعية والبيولوجيا التطورية لتجديد الأنسجة والأعضاء في العديد من الحيوانات النموذجية وغير النموذجية. تشمل الحيوانات التي تجري دراستها الضفادع والفئران والجرذان والأرانب والخنازير والأبوسوم. يشكل هذا البحث أساسًا أساسيًا لتجديد الأعضاء والأنسجة لدى البشر. على وجه التحديد ، يمكن أن يوفر البحث في النماذج الحيوانية رؤى مهمة في العمليات الخلوية والجزيئية التي تدعم تجديد الأعضاء والأنسجة. يتخذ علماء RBTE طريقتين رئيسيتين لتجديد الأنسجة في النماذج الحيوانية. في الأول ، يقارن علماء RBTE العمليات الخلوية والجزيئية التي تعمل في الأنسجة والأعضاء القادرة على التجدد مع العمليات التي تعمل في الأنسجة والأعضاء غير الموجودة. بهذه الطريقة ، يمكن لعلماء RBTE تحديد العمليات المحددة التي تدعم تجديد الأعضاء والأنسجة. في النهج الثاني ، يطبق علماء RBTE مبادئ الهندسة الحيوية وعلوم المواد على تجديد الأنسجة والأعضاء. في هذا النهج المبتكر ، يستخدم علماء RBTE السقالات والأنسجة والجزيئات النشطة بيولوجيًا والخلايا لتعزيز تجديد الأعضاء والأنسجة بنجاح كبير.

البحث المترجم عن التجديد البشري: الهدف النهائي لبيولوجيا التجدد هو تجديد الأنسجة والأعضاء لدى البشر بنجاح. لتحقيق هذا الهدف ، أنشأ علماء RBTE تعاونًا بحثيًا نشطًا مع الأطباء في العديد من المؤسسات ، بما في ذلك Mayo Clinic ، وجامعة إلينوي في شيكاغو ، وجامعة نورث وسترن ، ومستشفى Carle. من خلال هذه التعاون ، يقوم علماء RBTE بترجمة المعرفة المكتسبة من الخلايا الجذعية ، والبحوث التنموية والتجديدية في الحيوانات النموذجية وغير النموذجية إلى تجديد الأعضاء والأنسجة لدى البشر. تتضمن هذه الجهود متعدية استخدام السقالات القابلة للتحلل الحيوي جنبًا إلى جنب مع عوامل النمو والخلايا الجذعية البالغة كعلاج لصدمات العظام الكبيرة و / أو الغضروف أو المرض. تشمل مجالات التركيز تجديد العظام في الجمجمة والعمود الفقري والعظام الطويلة والأصابع والغضاريف في الوجه والقصبة الهوائية والمفاصل. يمكن أن تقلل المنهجية المستخدمة أو حتى تلغي الحاجة إلى إجراءات حصاد العظام وتطعيمها ، مما يقلل من عدد العمليات الجراحية للمرضى.


كيفية هندسة علم الأحياء

نظرًا لأن علم الأحياء هو نتيجة التطور وليس التطور البشري ، فإن جلب المبادئ الهندسية إليه مضمون بالفشل. أو هكذا يذهب الجدل الكامن وراء مغالطة & ldquoGrove ، & rdquo أول من استدعاها مراقب صناعة الأدوية ديريك لوي في نقد للرئيس التنفيذي لشركة إنتل آندي جروف في عام 2007. بعد تشخيص إصابته بسرطان البروستاتا ، وجد جروف نفسه محبطًا مما وصفه بـ & ldquolack of real الإخراج و rdquo في الأدوية خاصة بالمقارنة مع محرك Moore & rsquos Law في صناعته الخاصة.

جادل لوي بأن هذا كان نقدًا ساذجًا وغير صالح من الغرباء في وادي السيليكون ، لأن البحث الطبي ldquomedical يختلف [وأصعب] عن أبحاث أشباه الموصلات & rdquo & mdashand & ldquothat & rsquos جزئيًا لأننا لم نقم ببنائها. إن صنع الأشياء [مثل أشباه الموصلات] من الألف إلى الياء هو ميزة حقيقية عندما يتعلق الأمر بفهمها ، لكننا بدأنا في دراسة الحياة بعد أن كان قد بدأنا ببضعة مليارات من السنين. & rdquo لذا فإن فكرة هندسة الأحياء بطبيعتها محكوم عليها فشل ، كما كتب ، بالنظر إلى أن & ldquobillions سنوات من الترقيع التطوري أدت إلى شيء معقد وغريب جدًا لدرجة أنه يمكن أن يجعل أعلى التقنيات التي صممها الإنسان تبدو وكأنها شيء مبني بالعصي. & rdquo

لكننا شهدنا تطورات مذهلة في عالم البيولوجيا والتكنولوجيا في السنوات القليلة الماضية ، من تشخيص السرطان بدقة أكبر من الذكاء الاصطناعي إلى تعديل الجينات باستخدام تقنية كريسبر. فهل ما زال صحيحًا أن فكرة جلب عقلية هندسية إلى السيرة الذاتية هي حالة أخرى من حلول الحلول التكنولوجية ذات العيون المرصعة بالنجوم؟

من الصحيح تمامًا أننا & rdquo ؛ عملية اكتشاف علم الأحياء ، وما زلنا نفك تشابك الدين & ldquotechnical & rdquo للتطور. فقط عندما يعتقد المرء أنه يفهم علم الأحياء ، تظهر طبقة أخرى من البصل. من السهل أيضًا كسر البيولوجيا بشكل خطير ، مع عواقب أكبر بكثير من الكود المكسور ويمكن أن تؤدي الطفرات أحادية النقطة إلى المرض ، ويمكن أن تؤدي الكميات الصغيرة جدًا من بعض المواد الكيميائية إلى آثار جانبية كارثية. تنبع العديد من إخفاقات الطب وخاصة تصميم الأدوية من تعقيد علم الأحياء وعدم القدرة على التنبؤ به.

لكن حقيقة أننا ما زلنا نكتشف علم الأحياء لا تعني أننا نستطيع التصميم. نستطيع هندسة الأدوات التي نستخدمها لإدارة علم الأحياء.

في الواقع ، لقد قمنا ببناء وتصميم أدوات للتحكم في علم الأحياء أو زيادته أو استبداله أو تعزيزه طالما أن البشرية نفسها موجودة وما إذا كانت تعمل على ترويض الغابة لبناء قرى صالحة للسكن توقف واحتواء العدوى مما يجعل الأطراف الصناعية المتقدمة للأشخاص الذين فقدوا أطرافهم يصنعون الأدوية الاصطناعية لاستبدال الأجزاء التالفة أو الآن ، حتى إنشاء وظائف لم تمتلكها الطبيعة من قبل. يمكننا القيام بذلك لأننا تعلمنا تجريبيًا خصائص تلك المواد ، ثم قمنا بتكرارها وتصميمها وبناء هياكل جديدة معها. لا يوجد سبب يمنعنا من الاستمرار في القيام بذلك لأدويتنا وأجسادنا.

السؤال الوحيد هو كيف نصل إلى هناك. لو اكتشاف هو الاستكشاف المنهجي للأفكار والمفاهيم بهدف فهم العالم من حولنا ، إذن التصميم هي الدعامة الأساسية للهندسة و mdash حيث يتم استخدام المفاهيم التي تم تعلمها في الساحة العلمية لبناء كل شيء من حولنا بطريقة قابلة للتكرار وأقل استهلاكا للوقت وأكثر قابلية للتنبؤ.

الطريقة التي تسير بها الأمور الآن ، نحن التصميم الجسور ، لكننا يكتشف المخدرات. هذا لا يخلو من التكلفة: الجسور التي تبلغ تكلفتها مليار دولار ، والتي تعلمنا كيفية تصميمها من خلال التجربة والخطأ والممارسة والمبادئ الهندسية التي تمت تجربتها جيدًا ، نادرًا ما تفشل و mdash في حين أن فشل العقاقير بمليارات الدولارات أمر روتيني ، ناهيك عن التكلفة. ومع ذلك ، مع التصميم ، يمكننا التخطيط والتقدم بشكل منهجي للغاية على طول خارطة الطريق وإجراء ابتكارات تدريجية على طول الطريق. بالاقتراض من الهندسة ، إليك المبادئ التي تسمح لنا بالتغلب على ما يسمى بمغالطة غروف وتسخير علم الأحياء.

المبدأ 1: كتل البناء LEGO-LIKE

للبيولوجيا طبيعة هرمية: الأحماض الأمينية مصنوعة من بروتينات الذرات من الأحماض الأمينية وما إلى ذلك ، وتتجمع mdashall معًا لتكوين الخلايا ، التي تصنع الأنسجة ، مما يؤدي إلى الأعضاء ، مما يؤدي إلى الكائنات الحية ، ثم المنافذ ، ثم النظم البيئية الكاملة. التطور هو الخوارزمية النهائية. وقد أدت القدرة على تسهيل التطور بسرعة أكبر للاستجابة بشكل أفضل للضغط الانتقائي (التطور التلوي) إلى آليات تعزز هذه النمطية. يُعرف قدر كبير من التسلسل الهرمي ، لذلك إذا كنت ترغب في هندسة آلية خلوية ، فإن الأجزاء عبارة عن بروتينات إذا كنت تريد هندسة الأنسجة ، فالأجزاء عبارة عن خلايا وما بعدها على مستويات أعلى.

هذا ليس مجرد & rsquot افتراضي. هناك العديد من الأمثلة الناجحة لهذا بالفعل ، من هندسة الميوسين (البروتينات التي تسير على طول الطرق السريعة للأنابيب الخلوية للنقل) إلى علاجات CAR-T ، حيث من خلال تحديد وحدتين بروتينيتين رئيسيتين (the & ldquoLegos & rdquo في هذه الحالة) وجمعها معًا. يمكن هندسة الخلايا المناعية للمرضى وبالتالي علاج السرطان لديهم. استخدم الباحثون ورجال الأعمال هذا الجانب الأساسي من علم الأحياء لبرمجة الخلايا ، واستخدموا أساسًا جميع البروتينات في الخلية في مجموعة محدودة تعمل جيدًا مع بعضها البعض & rdquo وباقي الخلية لاستخدامها كمجموعة من Legos لبناء الدوائر الجينية.

بمجرد تحديد Legos في علم الأحياء وخصائصها ، يمكننا هندستها وحتى مزجها ومطابقتها لتصميم وظائف جديدة.

المبدأ 2: القابلية للتكرار والتناسخ

تعد عدم القدرة على الإنتاج أزمة كبيرة في علم الأحياء الحديث ، خاصة عندما يتعلق الأمر بنشر الأوراق وعدم القدرة على تكرار النتائج. لكن القابلية للتكاثر هي سمة مهمة لنهج قائم على الهندسة في علم الأحياء ، فمن المستحيل ، بحكم التعريف ، هندسة عملية بدون إمكانية التكاثر.

أحد الأسباب الرئيسية لعدم إمكانية إعادة الإنتاج في علم الأحياء هو ما قبل & ndash الثورة الصناعية ، طبيعة مخصصة (حرفيا ، يدوية الصنع) للتجارب البيولوجية حتى اليوم. هذا يجعل معظم التجارب فنًا أكثر منها علمًا. لكن التكنولوجيا الحديثة تجعل عملية ممارسة علم الأحياء أكثر قابلية للتكرار ، من مشكلات الاتساق في الكواشف إلى مشكلات إعادة التشغيل وتصحيح الأخطاء. الروبوتات هي إحدى الطرق الأكثر وضوحًا ، حيث تتم الآن الحركات الدقيقة بدقة الآلة وتوجيهها بواسطة البرنامج.

يلعب التعلم الآلي دورًا كبيرًا أيضًا. إن تحديد المؤشرات الحيوية (المواد الكيميائية التي يمكننا قياسها ثم استهدافها) للمرض مدفوع حاليًا بالاكتشاف عبر عملية مخصصة لمرة واحدة و [مدش] ، لذا فإن اكتشاف PSA لسرطان البروستاتا ، على سبيل المثال ، لا يشير إلى علامة بيولوجية لسرطان المبيض. ومع ذلك ، فإن إدخال التعلم الآلي في العملية يمكن أن يحول هذه الصناعة اليدوية إلى إنتاج خط التجميع. علاوة على ذلك ، نقوم بتعليم الآلة كيفية الصيد ، مما يسمح ليس فقط بإمكانية التكاثر ولكن لتحسين الدقة بمرور الوقت ، وذلك بفضل المدخلات من البيانات الأولية الإضافية وتحديد الأنماط المعقدة التي لا يستطيع البشر رؤيتها.

عدد من الشركات تفعل ذلك بالفعل. تم الإعلان عن أحدث ساعة Apple & rsquos على أنها & ldquoiPhone moment & rdquo حيث يمكن أن تتحول الأجهزة القابلة للارتداء إلى أجهزة طبية. & rdquo يمكن لرجال الأعمال الذين يطبقون التعلم العميق للطب استخدام AI / ML والبيانات المصنفة من تدفقات بيانات نبضات Apple Watch العامة لتحديد الرجفان الأذيني بدقة ودقة . ولكن الأهم من ذلك و [مدش] حيث تصبح البيولوجيا هندسة و [مدش] هي القدرة على اتخاذ نفس العملية التي يستخدمونها للكشف عن أمراض القلب ومن ثم التنبؤ بمرض المريض في كثير آخر المناطق أيضًا (ارتفاع ضغط الدم وتوقف التنفس أثناء النوم ومرض السكري من النوع 2).

مثل هذه الشركات التي تعتمد على التعلم الآلي و mdash التي يمكنها أيضًا اكتشاف السرطان مبكرًا أو تحديد المؤشرات الحيوية المرتبطة بطول العمر و mdash قد صممت جميعها نوعًا من & ldquofactory line. & rdquo نظرًا لمكونات الإدخال الصحيحة ، يمكنهم الآن إنتاج العديد من الاختبارات بطريقة يمكن التنبؤ بها ودقيقة وقابلة للتكرار. إنها & rsquos طريقة أخرى لخطأ مغالطة غروف. التطورات الهائلة في رقائق الكمبيوتر (قانون Moore & rsquos) والتخزين (& ldquoKryder's law & rdquo) وعلم الجينوم و mdashall متسارع انخفاض في التكلفة ، 1000 مرة على مدى عقد من الزمن و mdash يأتي فقط من 30٪ تحسن سنويًا. في علم الأحياء ، يؤدي التكاثر الأفضل بالإضافة إلى التحسين التدريجي بمرور الوقت بالإضافة إلى الدقة الأكبر إلى حدوث المزيد من التطورات الهائلة ، لأنه حتى القليل يقطع شوطًا طويلاً جدًا.

PRINCIPLE 3: TESTING AND PROCESS ENGINEERING

Testing is the ability to understand exactly where a given product/diagnostic/drug stands, and while the need for testing is obvious, how to test and what metrics to measure success are not. So, the choice and engineering of key performance indicators (KPIs) is critically important here without this guiding compass, a project could go in the wrong direction.

KPIs are used all the time in engineering, and in all businesses, as a way to define and measure success (or at the very least, progress). But &ldquotraditional&rdquo biology experiments and drug development haven&rsquot used the concept, since biology was conceptually driven by discovery: how can you assign a KPI when you don&rsquot know what you&rsquoll discover? Now, a new wave of bio startups&mdashdrawing on engineering and computer science&mdashare identifying KPIs for measuring molecules synthesized to protein expression, numbers of cells screened, and much more.

The critical part is determining what the right KPIs are, and in engineering biology, there are few precedents, so this can be challenging. But much like in medicine more broadly, the basic principle is: what can be measured can be improved, and those improvements can have huge payoffs. In fact, the evolution from subjective intuition to objective measure is itself another indicator of moving from discovery (biology) to design (engineering), and fits more into Grove&rsquos worldview.

PRINCIPLE 4: BORROWING FROM OTHER DISCIPLINES

An obvious approach to bring engineering into biology is to apply existing engineering disciplines&mdashmaterials, chemical, electrical, mechanical, and so on&mdashin the biological realm. Until recently, the ability to quantitatively test and iterate biology was greatly limited. But the rise of numerous, novel quantitative measurements of biology&mdashi.e., big data sets in biology&mdashhas opened the door to incorporating other engineering approaches.

For example, there are also companies out there using mechanical engineering principles to bring simulations to predicting the outcomes of surgeries, so that treatments can be engineered, instead of discovering through trial-and-error on patients. By applying the materials-science based engineering technology he learned in solar cell materials design to food, James Rogers used techniques from nanoscience to create nanoscopic barriers that protect fruits and vegetables from spoilage. This isn&rsquot biomimicry, but a way of borrowing the fundamentals of engineering from other disciplines to harness biology.

PRINCIPLE 5: REINVENTING THE PROCESS ITSELF

Engineers at NASA in 1962 could perhaps imagine going to the moon, but how would they even بداية؟ The short answer: By breaking the problem down into parts, and then breaking the process down into steps. And then by having versions (to borrow from the analogy of software). It wasn&rsquot Apollo 1 that went to the moon, but Apollo 11.

Such &ldquobig hairy audacious goals&rdquo (aka BHAGs) are daunting, seemingly impossible aspirations. The key here is the ability to think long-term, to project and to plan forward&mdashmuch as one does when designing any other engineering-based roadmap. So, the Apollo team, like most engineers, broke things down into more doable steps of engineering put together, those steps created the stuff of dreams.

The challenge in biology lies in breaking down the problem into steps and often reinventing the process itself. But once the desire to consistently improve performance (what Grove was suggesting in the first place) moves biology from bespoke, artisanal approaches to designed, scalable processes, even seemingly modest performance increases can make a difference. A 1 percent increase performed weekly, for instance, would lead to almost doubling in a year and a tripling in two years, and in biology, such improvements could have huge impact.

Andy Grove did not found Intel, but he was there early and was deeply influenced not just by manufacturing methods for management but by &ldquothe law&rdquo (that the number of transistors in a circuit doubles every couple years) proposed by Intel co-founder Gordon Moore. However, Moore&rsquos isn&rsquot a law of physics but of economics and arose from an engineering push that continued across different technologies, different teams, different decades. It&rsquos a law of will, imposed by man, not nature.

In biology, we&rsquove already surpassed Moore&rsquos Law the cost of genomics has come down over a million-fold in two decades. Why can&rsquot we carry this process to other areas in bio as well? The question now isn&rsquot whether this is possible in biology or not, as the Grove fallacy argued, but كيف to do it, given where we are in engineering biology today.

الآراء المعبر عنها هي آراء المؤلف (المؤلفين) وليست بالضرورة آراء Scientific American.

عن المؤلفين)

Vijay Pande, PhD, is a general partner at Andreessen Horowitz where he leads the firm's investments in companies at the cross section of biology and computer science including areas such as the application of computation, Machine Learning, and Artificial Intelligence broadly into Biology and Healthcare as well as the application of novel transformative scientific advances. Pande is also an Adjunct Professor of Bioengineering at Stanford University previously, he was the Henry Dreyfus Professor of Chemistry and Professor of Structural Biology and of Computer Science there.


Scaffold design and manufacture

As the field of tissue engineering progresses, the need for novel scaffold structures and reproducible fabrication techniques has become of paramount importance. The use of biodegradable polymers, such as poly lactic acid (PLA), has become widespread, but the manner in which these polymers are processed and the additives used at the time of manufacture allows the final properties of the scaffold to be tailored.

Some of the scaffold types discussed include: high-pressure CO2 foamed scaffolds, injectable scaffolds, novel custom scaffolds and how these can be further modified using growth factors, zonation of materials and plasma polymerization deposition.

Poly-hydroxyl acids such as PLA and poly lactic-co-glycolic acid (PLGA) have been extensively used for tissue engineering procedures, as these materials bulk-degrade by hydrolysis, providing a controllable drug release and degradation profile to match tissue in-growth. With careful use of molecular weights, cross links and side chains, materials can be produced with tailor-made properties making them ideal for use in tissue engineering matrices. Furthermore, poly-hydroxyl acid materials also have a long history of في الجسم الحي usage as degradable sutures, drug delivery devices and biodegradable surgical components.

Injectable materials for tissue engineering/regenerative medicine

A scaffold developed for orthopaedic use is ‘Injectabone’, a novel biodegradable, particulate, scaffold system which can be injected into a site of bone trauma (Hamilton et al. 2006). The scaffold forms via the use of two types of PLGA microparticles. Type 1 is a temperature-sensitive PLGA/polyethylene glycol (PEG) composite that acts as an adhesive for the type II PLGA particles. The dynamics of this scaffold type allows injection at room temperature and solidification at body temperature allowing for a non-invasive delivery system for treatment of non-union bone defects.

Microparticles are small enough to be delivered by syringe and can be used as an injectable scaffold by incorporating temperature and mositure sensitive or adherent systems. These versatile subunits can be produced using droplet formation of solvents (Suciati et al. 2006) or by spraying (Hao et al. 2004 Whitaker et al. 2005). Setting of a microparticle slurry was initially performed using the attraction between biotin in one set of beads and avidin in another. Furthermore, live cells could be incorporated into this system such that scaffolds could be injected containing evenly distributed cells. The range of applications can be increased with the incorporation of various drugs and surface modifications.

Growth factor incorporation into scaffolds

In addition to scaffolds being used as a support for cell growth they can simultaneously be used as a vehicle for drug delivery. In theory, the scaffolds can be used to deliver growth factors/drugs to the sites of repair, thus expediting the recovery process. Owing to the kinetics and complexity of biological growth factor release, the process has required extensive investigation. One of the major issues is maintaining the conformation and function of proteins during the process of scaffold manufacture. However, once this issue has been solved many more complications lie ahead, including the control of growth factor release to match the kinetics of physiological processes, as well as the independent release of many factors at different stages.

Recently, vascular endothelial growth factor (VEGF), a peptide growth factor, has been incorporated into PLA scaffolds to provide a controlled release of angiogenic signals from a scaffold (Kanczler et al. 2007). Release of bioactive VEGF was confirmed using the في المختبر human umbilical vascular endothelial cell (HUVEC) assay and في الجسم الحي chick allantoic membrane (CAM) angiogenesis assay. It was demonstrated that the VEGF retained its angiogenic properties and encouraged vascularization of the PLA scaffold.

Growth factors can also be attached to the surface of scaffolds following manufacture through the use of functional groups to chemically attach the proteins and/or drugs. Chen et al. (2006) used this method to attach basic firoblastic growth factors (bFGF) to the surface of alginate beads via an –NH functional group. This scaffold provided a microenvironment permissive for the growth and differentiation of human neuronal stem cells prior to their use in tissue engineering procedures.

The function of growth factor incorporation can be further enhanced by zoning, offering an interesting way of controlling tissue integration and development, which potentially allows the regionalized release of proteins to act on specific cell populations or initiate physiological processes, i.e. angiogenesis, at particular sites throughout scaffolds. This system has been demonstrated by Suciati et al. 2006, in which PLA/PEG microparticles were loaded with proteins such as horseradish peroxidase, trypsin or BMP-2. These particles were then sintered to form distinct layers. These scaffolds could maintain release over a period of up to 30 days, with the BMP-2 loaded particles able to initiate zonal osteogenic differentiation of responsive C2C12 cells في المختبر.

An alternative to growth factor incorporation is to integrate DNA plasmids encoding a gene and mammalian promoter into the polymer transfection with the DNA programmes the cells to produce their own growth factors. Once optimized, changing the inserted gene to alter the growth factor produced would allow a range of factors to be produced however, uptake rates and toxicity are still major issues to this promising technique (Heyde et al. 2007).

Supercritical carbon dioxide processing of polymers

Processing of polymers into reticulated tissue engineering scaffolds often requires organic solvents and a method to provide pores, such as inclusion of salt granules, which are later removed by leaching, or by addition of blowing or foaming agents. Organic solvents, used in scaffold fabrication, such as dichloromethane, also often interact with many sensitive structural motifs found in peptide drugs, and can leave toxic residues behind (the upper FDA limit for DCM residues is only 600 parts per million).

Supercritical CO2 forms a phase between liquid and gas ( Fig. 3 ) that is able to penetrate many polymers and plasticize them. Evaporation results in solidification of the polymer and can be controlled to fuse separate bubble nucleation points, providing a reticulated and interconnected scaffold with a high strength to weight ratio ( Fig. 4 ). Supercritical CO2 is also able to incorporate peptide drugs with minimal damage (Kanczler et al. 2007) if exposed briefly it is sufficiently inert to incorporate living cells by plasticizing a scaffold around cells (Ginty et al. 2006). The use of CO2 is not without limitations, as careful control of the supercritical foaming process is key to the correct formation of interconnected chamber structures and the use of this process requires quality control of the scaffolds produced. However, the structures produced are architecturally very strong and the ability easily to incorporate otherwise sensitive peptide drugs is a major advantage.


Clinical treatments that introduce living cellular material into a patient. They may engraft in the body, leading to long-term replacement of damaged or missing tissue, or stimulate endogenous repair and promote endogenous viability.

(ESC). A type of pluripotent stem cell, derived from the inner cell mass of the developing embryo, that is responsible for giving rise to all of the cells in the developing fetus but not the extra-embryonic tissues.

A minimal and miniaturized organ that is developed from a suspension of stem cells in vitro. These stem cells undergo division and self-organization to give rise to a 3D structure that mimics the anatomy of organs in the body. Thus, organoids can serve as models for understanding organ development and for modelling disease states.

A cell’s identity based on its expression of genetic, proteomic and epigenetic markers but also in terms of its functional abilities. Cell fate determines a cell’s self-renewal ability, proliferative ability, differentiation potential, survival and motility.

A form of cellular signalling in which secreted chemicals bind to receptors on the same cell. By contrast, juxtacrine and paracrine signalling induce responses in neighbouring cells, either through direct contact (juxtacrine) or secreted chemicals (paracrine).

(ECM). A collection of extracellular molecules, including proteins, proteoglycans and polysaccharides, that supports the growth of nearby cells by providing biomechanical and biochemical cues. It enables cell adhesion and cell–cell communication.

(GRNs). A set of genes and their direct and indirect regulatory interactions with one another. GRNs are akin to decision-making computational circuits that serve to process input signals and generate robust outputs in cell behaviour.

Interaction patterns that recur more frequently than in randomized networks — for example, negative autoregulation (or ‘autorepression’) and the feedforward loop.

The in vivo microenvironments in which stem cells reside that regulate their homeostasis and fate choices.

The process by which developing organisms acquire their structure and shape.

Probabilistic models that relate the dependencies of the expression of a set of genes on one another through a directed graph.

Models of gene regulatory networks that can predict gene expression outcomes given the initial state of genes in the network as well as the derivation of steady-state gene expression status.

Artificial neural networks

Networks composed of nodes, which can be genes, that process and transmit information. The output of each node is a nonlinear function of a sum of its regulatory inputs.

Ordinary differential equations

A mathematical framework capturing gene expression dynamics as a function of the presence of regulators and the rate of change of mRNA and/or protein concentration due to production and degradation.

The process of analysing a system to uncover underlying design rules to create representations of the system at higher levels of abstraction (inverse of forward engineering).

The iterative process by which a system is designed, prototyped, tested and further optimized from a model (the classical engineering design process).

Technology that enables transfer of miniature ‘islands’ of extracellular matrix proteins to enforce control of the shape and size of adherent cells either as single cells or cell colonies.

The characteristic of a cell that makes it a stem cell. That is, the ability to self-renew and differentiate to specify to different cell types.

Vessels in which biological species, such as stem cells and their progeny, are grown, maintained and manipulated in a controlled environment (pH, oxygen and media change) for cell manufacturing pipelines.

Utilization of printing techniques ranging from inkjet printers to 3D printers to combine cells, biomaterials, extracellular matrix, growth factors, etc. to fabricate complex tissue surrogates in vitro.

A process during embryogenesis in which cell fates are allocated or ‘patterned’ as a function of space and time.

Signalling molecules, typically soluble chemicals, for which the asymmetric distribution in a developing tissue gives rise to fate patterning and morphogenesis.


Stem Cells and Functional Tissue Laboratory

The Laboratory for Stem Cells and Functional Tissue Engineering, directed by Prof. Gordana Vunjak-Novakovic, is well-known for tissue engineering of functional human grafts using stem cells in conjunction with biomaterial scaffolds custom-designed to mimic the native tissue matrix and advanced bioreactors. The cells are employed as actual &ldquoarchitects&rdquo of the tissue, the scaffold serves as a template for tissue formation, and the bioreactor provides a controlled environment for functional tissue assembly. A &ldquobiomimetic&rdquo approach to tissue engineering is pursued, where the design of scaffolds and bioreactors are inspired by the native developmental milieu, in order to direct the cells to differentiate into the right phenotype and form the right tissues.


Biology-Inspired Engineering and Engineering-Inspired Biology

Biology has been an important inspiration for developments in all aspects (e.g. designs) of engineering (e.g., robots), i.e., biology-inspired engineering (BIE). Bio-inspired attachment systems, bio-inspired sensors, bio-inspired materials, etc. have enabled robots to produce robust and comparable behaviors .

Biology has been an important inspiration for developments in all aspects (e.g. designs) of engineering (e.g., robots), i.e., biology-inspired engineering (BIE). Bio-inspired attachment systems, bio-inspired sensors, bio-inspired materials, etc. have enabled robots to produce robust and comparable behaviors to their biological counterparts. Owing to the biologically comparable behaviors, interdisciplinary biologists tend to flip the approach, i.e., engineering-inspired biology (EIB) whereby engineering systems and principles are utilized to initiate and test new hypotheses in biological research. For example, robots have been used as tools to investigate and test animal functions. However, the mutual inspirations and enhancements between biology and engineering remain an open question in many types of research.

This Research topic welcomes articles from the fields of bionic science and engineering including, but not limited to, the following topics: Bio-inspired robotics, bio-inspired sensors and actuators, bio-inspired energy storage, bio-inspired flexible electronics, bio-inspired solar cells, biomimetic engineering, embodied artificial intelligence and neurorobotics, functional morphology, musculoskeletal systems, biomechanics, biological interface and functionalization, biomimetic materials, biomimetic structures and mechanics, biomimetic surfaces, biomimetic designs and methodologies, bionic fluid, biological systems, and brain-inspired computing and neuromorphic systems.

الكلمات الدالة: Bio-inspired flexible electronics, Bio-inspired robotics, Biomimetic engineering, Bionic fluid, Musculoskeletal systems

ملاحظة مهمة: يجب أن تكون جميع المساهمات في موضوع البحث هذا ضمن نطاق القسم والمجلة التي قدمت إليها ، كما هو محدد في بيانات مهمتهم. تحتفظ مؤسسة Frontiers بالحق في توجيه مخطوطة خارج النطاق إلى قسم أو مجلة أكثر ملاءمة في أي مرحلة من مراحل مراجعة الأقران.


Synthetic biology

Most of the efforts of biological research, both in studying healthy organisms as well as disease states, is focused either on studying the whole live cell (or organism), or on studying isolated reactions between few purified and well defined components في المختبر. Most biological processes are not isolated events of interaction between few components, but rather complex interconnected networks built of often multifunctional nodes (proteins acting on many targets). ال في المختبر studies give results that are less relevant to natural biology – since an experiment with a few purified components does not acknowledge the vast complexity of a natural system. On the other hand, live cell studies are notoriously hard to reproduce and interpret, due to the variability between live subjects, as well as due to the inherent complexity of biology (cross-talk between the studied process and other pathways, or background signal from unrelated processes is often present).
Synthetic minimal cells deliver a solution bridging the existing gap between في المختبر and live cell research: use synthetic minimal cells to investigate multicomponent gene pathways, combining the advantages of في المختبر systems with the relevancy and complexity approaching that of whole cell studies.

Reading and controlling cells is the core purpose of modern synthetic biology, and the overarching goal of all biomedical studies. Both studying mechanisms of most diseases, as well as investigating healthy cellular processes, is currently done as either في المختبر or live cell experiments. في المختبر research methods are easy to use, cheap and efficient way to obtain information about behavior of specific, well defined protein or nucleic acid complexes or single enzymes, or to characterize small molecule interactions between metabolites or drugs and their specific biological targets. However, since life is structured in complexes that involve many components organized in precise 3D assemblies, the في المختبر experiments often only deliver information about small snapshot of this complex, natural system. Studies of live cells allow to obtain truly biologically relevant information about complex pathways, but at significantly higher cost, and with results that are harder to interpret and often less reproducible. The variability between live cell subjects and the underlying intricacy of interconnected biological networks constantly interacting with each other makes signal measured in live cell experiments often more noisy and the experiment itself difficult to design.
Synthetic minimal cells offer a platform that allows studying complex genetic pathways, while keeping the complexity of the system at a level that still allows us understanding fully what the system contains and how to engineer it. Our research focuses on building tools for general use in many areas of synthetic biology, as well as studying some specific cases of complex biological processes, both healthy and diseased, that are not accessible by studying natural complex cells.


Research with Jonas Salk and Christiaan Barnard

Developed Polio Vaccine

J. Supramol. Struct 18233 (1979)
Lanza (with Salk)

Work with Christiaan Barnard

Performed the World’s First Heart Transplant

New England Journal of Medicine 307 1275 (1982)
Lanza (with Barnard & Cooper)

JAMA 249 1746 (1983)
Lanza (with Barnard, Cooper & Cassidy)

American Heart Journal 107 8 (1984)
Lanza (with Barnard, Cooper & Boyd)


شاهد الفيديو: James Davids - Die dag wanneer jou berou te laat is (كانون الثاني 2022).