Люди почему-то редко сомневаются в том, достоверно ли изображены динозавры в фильме «Парк юрского периода».
Более того, массовое представление о том, как выглядели эти рептилии, было сформировано как раз в самом блокбастере.
Одна из множества вариаций, имеющих право на существование, стала каноном благодаря Голливуду. Тем не менее, реконструировать внешний вид динозавров можно по-разному.
Первая попытка восстановить внешний вид вымершего животного была сделана 2 600 лет назад, в Древней Греции. Историк Адриенна Майор утверждает, что морское чудище Кето, которое должно было съесть Андромеду, появилось в мифах не просто так. Исследовательница предполагает, что это попытка объяснить внезапно найденные останки Giraffokeryx –– предка жирафа, который жил примерно 6 млн лет назад.
Предок жирафа Giraffokeryx
Гигантские кости –– не редкая находка для древности, хотя речь и не шла о систематических раскопках. Историки Античности считали, что случайно найденные останки принадлежат великанам или монстрам.
Организованные поиски древних костей начались в Средние века, когда в ледниках начали находить кости мамонтов, шерстистых носорогов и других крупных млекопитающих. Впрочем, и тогда их не считали обычными костями.
Останки якобы принадлежали драконам, гигантам, единорогам и другим жертвам Всемирного потопа.
В 1663 году немецкий натуралист Отто фон Герике попытался восстановить облик настоящего «единорога» из костей разных млекопитающих эпохи плейстоцена. В его реконструкции зубами животного стали моляры мамонта, а череп и другие кости принадлежали шерстистому носорогу. Натуралист стремился воплотить фантазию, а не реконструировать жизнь.
Французский натуралист Жорж Леопольд де Кювье подошел к воссозданию внешнего вида вымершего животного с рациональной позиции естествознания.
В своей работе «Исследование ископаемых костей четвероногих» ученый рассуждал так: «Если зубы животного такие, какими должны быть для того, чтобы оно питалось мясом, то мы можем быть уверены, что и вся его система пищеварения будет подходить для такого вида пищи.
Весь его скелет и двигательные органы, даже органы чувств, будут хищническими. Всё это необходимо для существования животного: иначе оно не могло бы существовать вовсе».
Несмотря на создание множества иллюстраций животных, чей вид Кювье восстанавливал на основе изучения их скелетов, он не решался публиковать зарисовки, потому что считал их слишком умозрительными.
Тем не менее, в одной из последних редакций труда натуралиста он разместил изображения парнокопытных аноплотерий и непарнокопытных палеотерий. Широкая общественность впервые увидела научную реконструкцию внешнего вида и жизни давно вымершего животного.
Кювье рассказал миру о том, как охотилось и жило существо, о котором предки людей не сохранили никаких слов.
Эскизы Кювье
Останки и скелеты
Кювье изменил представление о том, что скелет может сообщить лишь абсолютно базовый факт: «Был живой, стал мертвый». Это далеко не всё, что может рассказать об организме скелет.
В практике палеонтологов встречаются разные кейсы: останки некоторых видов дошли до наших дней в идеальном состоянии, другие скелеты восстанавливаются практически с нуля. Большую роль в целостности скелета играют условия среды, в которой он оказался. Так, вечная мерзлота сохраняет даже мягкие ткани животных.
В 2010 году в Якутии были найдены останки 1,8-метрового мамонтенка, который сохранился практически полностью. Сообщения о таких находках поступают регулярно: вечная мерзлота отступает, обнажая останки. Основные места поиска –– Якутия и Новосибирские острова.
Якутия оказывается местом поиска не только мамонтов, но и шерстистых носорогов. Останки особи этого вида были найдены в местных льдах. Носорогу дали кличку Саша. Это был трех- или четырехлетний детеныш. До этой находки исследователи находили взрослых особей, но никогда не встречали целых маленьких останков.
Такие находки особенно интересны из-за фактора сохранности. Если палеонтологам повезло, и на трупе сохранились мягкие ткани, то ученые способны почти полностью восстановить диету зверей.
У большинства современных плотоядных есть острые зубы, которыми легко резать мясо. Это наблюдение легко распространяется во времени: у ископаемых животных с острыми клыками также были хищнические рационы. Особенности челюстей и зубов показывают, что могло есть животное.
Благодаря эволюции костное строение зверей адаптируется для различных функций. Принцип рычага –– один из основных в физике. Его понимание позволяет понять технику передвижения разных животных, их максимальную скорость и силу.
Размещение мышцы на челюстных костях напрямую влияет на то, какой силы укус может сделать животное и как быстро оно открывает и закрывает челюсть. Надежность самого черепа зависит от общей твердости костей, поэтому наличие мускулов на челюсти показывает не прочность, но силу.
Подобные звери предпочитают жесткую пищу, которую нужно измельчать зубами.
«Ты то, что ты ешь» –– фраза, справедливая и на молекулярном уровне. В разных источниках пищи есть разные микроэлементы и изотопы, которые, в свою очередь, впитываются в зубы и кости животных на следующем звене пищевой цепи. Химический анализ позволяет определить, питался ли, например, древний падальщик морскими или наземными животными.
Кроме того, от пищи зависит характер окаменелостей в кишечнике и окаменелые отходы. Копролиты, или ископаемые фекалии часто сохраняют в себе остатки пищи: фрагменты растений и кусочки костей. Если у ученого есть возможность сопоставить фекалию и ее производителя, то это отличный способ понять, чем именно питалось животное.
Еще Кювье предложил считать главным ориентиром для реконструктора именно зубы, но их форма –– не единственный информативный элемент. Зубная эмаль стирается даже при самых благоприятных обстоятельствах, но разная пища по-разному царапает и щербит зубы. Их текстура позволяет уточнить особенности диеты.
Почему современных исследователей вообще волнует, кто и кого съел 20 или 200 млн лет назад? Стремление понять доисторических животных связано с интересом в ветеринарной медицине, фармацевтике и биологии. Тем не менее, наука изобретает новые способы более точной реконструкции жизни и вида ископаемых животных.
Недавним изобретением в области реконструкции по останкам стала разработка ученых колледжа Корка в Ирландии. Местные палеонтологи обнаружили способ реконструкции древних позвоночных животных с помощью анализа химического состава окаменевших меланосом из внутренних органов.
Команда использовала синхротронные методы для анализа химического состава ископаемых и современных меланосом с помощью рентгеновских лучей, позволяющих рассмотреть анатомию окаменелостей.
Меланин находится в меланосомах (клеточных структурах — «Хайтек»), которые есть в клетках перьев, чешуи, волос и глаз. По современным птичьим перьям ученые обнаружили, что форма меланосом определяет цветовой оттенок пера. Так, меланосомы в форме палочек кодируют темные оттенки, а шарообразные меланосомы захватывают промежуток от кирпичного до ярко-желтого.
Новизна ирландского исследования состоит в том, что до недавнего времени большинство ученых сосредотачивалось на коже и перьях или шерсти, тогда как в данном случае изучаемый объект, меланин, содержится во внутренних органах.
Он подсвечивается в рентгеновском излучении, обозначая контуры органов животных. Доктор Мария Макнамара, автор исследования, говорит: «Это открытие примечательно тем, что оно открывает путь для восстановления детальной анатомии древних животных.
В некоторых окаменелостях мы можем четко обозначить легкие, печень, кишечник, сердце и даже соединительные ткани».
Веха реконструирования: ДНК
Большая часть того, что ученые знают о вымерших животных, известно от скелетов. Тем не менее, ДНК, открытая в 50-х, раскрыла тайны, на которые наука еще не могла найти ответ.
Лейя Линс из Университета Оклахомы говорит, что на морфологию костей могут влиять окружающая среда и ход жизни животного.
Изменчивость так велика, что может сбить с толку и осложнить попытки идентификации останков.
ДНК помогает не только разобраться в отношениях между разными древними популяциями, но и определить место и время возможного возникновения новых популяций с новыми признаками. Объединяя эту информацию с геологическими данными, исследователи реконструируют то, как животные могли реагировать на изменения климата, например, ледниковые циклы.
Древние ДНК могут помочь объяснить исчезновение вида. Недавнее исследование тасманских тигров обнаружило неожиданно низкое генетическое разнообразие у этих животных –– явный признак долговременного сокращения популяции, которое, возможно, началось из-за человека.
«Со временем ДНК деградирует, так что не каждое ископаемое даст необходимое количество материала для восстановления полного генома, набора генов организма», –– говорит Вивиан Слон из Института эволюционной антропологии имени Макса Планка.
ДНК нельзя использовать через 1-2 млн лет после смерти организма, даже если она хранилась в идеальных условиях, которых в природе практически нет — а потому гены обречены разрушиться. Самая старая последовательность ДНК была извлечена из материала от 700-тысячелетней лошади, замерзшей в Канаде.
Если ДНК сохранилась хорошо, то перед исследователями встает другая проблема –– ее слишком много. Ископаемая кость лошади наверняка сохраняет родные гены, но также содержит ДНК бактерий и насекомых, попавших в кости, или растений и грибов, росших вокруг скелета. Ученым нужно пройти через «шум», чтобы найти ту ДНК, которая им нужна.
Исследования ДНК меняют все процессы биологии. Они не только рассказывают то, о чем люди никогда не узнали бы без секвенирования, но и позволяют играть в Бога –– возрождать вымершие виды.
Один из самых знаменитых исчезнувших видов последнего века –– пассажирский голубь, который исчез в начале 1900-х. Американские ученые планируют вернуть популяцию с помощью ближайших родственников –– голубохвостых голубей. ДНК этих животных идентичны на 97%. Современные технологии позволяют редактировать оставшиеся 3%.
Пассажирский голубь
Технически новая птица будет потомком голубохвостого и пассажирского голубя. Если бы речь шла не о генетическом редактировании, то новый организм назвали бы гибридом. Цель ученых –– не точное воскрешение ранее существовавшего, а восстановление экосистем, пострадавших от исчезновения голубей.
Голуби –– не единственный животные, которых хотят вновь выпустить в мир. Ученые работают над восстановлением популяции верескового тетерева, вымершего в США в 1932 году. Еще известнее проект выведения шерстистого мамонта, который вымер 10 тыс. лет назад. Сейчас эти проекты находятся на ранней стадии, но ученые продолжают эксперименты по расшифровке нужных ДНК.
ДНК –– удивительный ресурс для ученых, которые стремятся изучать прошлое и переносить его удачные опыты в будущее. Сегодня более двух десятков лабораторий по всему миру работают с древней ДНК, пополняя общемировую базу генетических данных.
Австралийские ученые придумали технологию печати костей внутри человека
Ученые из Австралийского университета Нового Южного Уэльса в Сиднее придумали технологию, благодаря которой нужный фрагмент кости можно просто напечатать прямо поверх повреждения и он со временем станет точно такой же костной тканью, как и остальные. Станет ли эта технология прорывом в медицине и как скоро выращивание костей станет плановой операцией – разбирался наш научный обозреватель Николай Гринько.
unsw.edu.au
В 1997 году на экраны вышел фильм Люка Бессона «Пятый элемент». В нем была сцена воссоздания главной героини Лилу, от которой после взрыва космолета осталась только кисть руки. По сюжету ученые расшифровали ДНК и напечатали новое тело с помощью устройства, которое сегодня мы бы назвали биологическим 3D-принтером.
Тогда, 24 года назад, подобные технологии казались нереализуемой фантастикой. Но к сегодняшнему дню и геном человека уже расшифрован, и биопринтеры научились печатать живые органы, хоть пока и в качестве эксперимента.
Медицинский хай-тек развивается очень быстро, и буквально на днях исследователи научились печатать новые кости прямо в организме.
При сложных переломах или некоторых болезнях пациенту требуется заменить участок какой-нибудь кости. Для этого сегодня используют трансплантацию: фрагмент кости берут из другой части тела и вживляют в поврежденный участок.
Передовые клиники сегодня уже используют 3D-принтеры для восстановления костей: в требуемом месте печатают трехмерный каркас из экспериментальных материалов, и здоровые клетки из прилегающей костной ткани со временем мигрируют на новое место.
Сам каркас после этого растворяется и выводится из организма. Весть процесс довольно медленный и занимает много времени.
Австралийские исследователи создали новый материал для печати: биогель на основе фосфата кальция, в который предварительно интегрируются живые костные клетки пациента.
Гель доставляется к месту «ремонта» медицинским принтером и сразу же начинает затвердевать, буквально через несколько минут превращаясь в костеподобную структуру.
unsw.edu.au
Ее прочность уже на этом этапе достаточно велика, хотя и меньше, чем у настоящих костей. Интегрированные в нее клетки начинают воспроизводство, причем биогель они используют в качестве строительного материала, и со временем вся искусственная структура заменяется живыми клетками.
Еще один плюс метода заключается в том, что раньше каркас для клеток приходилось печатать заранее, предварительно отсканировав поврежденную кость, и лишь потом имплантировать в организм. Мало того, для этого использовались высокотемпературные печи и высокотоксичные химикаты. Теперь же можно печатать «заплатку» прямо в теле пациента, буквально выстраивая послойно новую кость.
Технология пока не опробована на людях, сейчас она проходит стадию экспериментов на лабораторных животных. Но биоинженеры говорят, что эксперименты проходят с абсолютно предсказуемыми и обнадеживающими результатами и причин, по которым биогель нельзя было бы применять в человеческом организме, пока не выявлено.
Человечество всегда мечтало научиться ремонтировать свои тела.
Медицина прошла долгий путь – шаманство, лечебные травы, фармакология, хирургия, биоинженерия… Каким будет следующий этап, мы пока не знаем, но если фильм 1997 года смог предсказать сегодняшние технологии (пусть и в очень приближенном виде), то, вероятно, и сегодняшнее кино тоже можно использовать в качестве прогноза. Включите любой свежий фантастический фильм и узнаете, что нас ждет лет через двадцать. Конечно, на путешествия во времени и чтение мыслей особенно не надейтесь. Хотя…
Ученые впервые вырастили кости — Газета.Ru
Ученые впервые вырастили в лаборатории костную ткань, это удалось сделать благодаря аппаратуре для исследования гравитационных волн. Теперь врачи смогут восстанавливать кости людей, которым из-за серьезных травм грозит ампутация конечностей. Новый метод уже был успешно протестирован на животных, эксперимент на человеке намечен на 2020 год.
Ученые впервые смогли вырастить в лабораторных условиях костную ткань. Успех в этом эксперименте открывает новые возможности для хирургов и трансплантологов — теперь они смогут восстанавливать кости людей, которым из-за серьезных травм грозит ампутация конечностей. О проделанной работе ученые рассказали в журнале Nature Biomedical Engineering.
Команда ученых из Шотландии и Ирландии разработала устройство, которое генерирует нановибрации и проводит их через находящуюся в коллагеновом геле взвесь мезенхимальных стволовых клеток, способных дифференцироваться в остеобласты, клетки кости.
Клетки образуют «костную шпатлевку», как ее называют исследователи, которая потом используется для лечения переломов и болезней, разрушающих костную ткань.
Использование собственных мезенхимальных клеток пациента сводит к минимуму риск отторжения и позволяет лечить серьезные повреждения. Создатели материала считают, что он станет отличной заменой используемым сегодня костным трансплантатам.
«Мы помещаем «шпатлевку» на анатомически правильный коллагеновый каркас. Мы используем много клеток одновременно, так что они с большой вероятностью образуют новую кость. В лаборатории мы как бы объясняем им, что надо делать, а организм пациента работает как биореактор, делая все остальное», — объясняет Мэтью Далби, профессор клеточной инженерии в Университете Глазго.
Команда начала работу в этой области еще в 2009 году. Ученые помещали клетки на виброплатформы и наблюдали, как те образуют костную ткань. Однако для того, чтобы восстанавливать поврежденные кости людей, материал должен был обладать трехмерной структурой.
Для достижения результата они основывались на позаимствованной у физиков технике, использовавшейся для исследования гравитационных волн. Через специальные камеры ученые пропускали колебания с амплитудой в 20 нанометров. Для гравитационных волн этого было бы недостаточно, но для клеток подошло отлично.
«Мы берем клетки пациента, помещаем их в гель и ставим все это в биореактор, где клетки вибрируют со скоростью 1000 колебаний в секунду»,
— рассказывает Далби.
Такая частота колебаний приводит к формированию из клеток костной ткани. Коллагеновый гель позволяет им образовывать трехмерную структуру. Коллаген — основной компонент соединительной ткани человека, и гель биологически совместим с тканями пациента.
Камера выполнена из алюминия и оснащена пьезоприводами. Над ними расположена пластина, которая проводит вибрации. Сам материал закреплен на движущейся платформе. Пьезоприводы ритмично сокращаются и расширяются, когда им передается напряжение. Вибрации с частотой, например, 1000 Гц способны регулировать работу ионных каналов в клетках, вызывая приток калия или кальция.
- close
- 100%
Сейчас для восстановления кости после тяжелых переломов хирурги используют маленькие фрагменты тазовой кости пациента. Для трансплантации необходима также костная ткань другого человека без живых клеток.
Использование донорских тканей повышает риск отторжения.
Новая технология снизит этот риск и позволит избежать дополнительных операций, чтобы взять костную ткань пациента.
Также ученые надеются помочь жертвам терактов и военным, потерявшим конечности. Новые руки и ноги, правда, вырастить в лаборатории пока не получится, но откорректировать кость так, чтобы человек мог использовать протез, вполне реально.
«Выживаемость людей все повышается, но мы еще страдаем от множества травм, — рассказывает Далби. — В сотрудничестве с благотворительной организацией сэра Бобби Чарльтона (легенда английского футбола — «Газета.Ru») мы уже доказали эффективность нашего метода, восстановив собаке лапу, которую иначе пришлось бы ампутировать».
Метод будет испытан на человеке в 2020 году. Ученые планируют восстановить с помощью «шпатлевки» кость руки пациента.
На создание костной ткани и операцию по ее вживлению уйдет не больше недели, уверен Далби.
Биореактор тем временем отправится в другие лаборатории для поиска новых способов его применения. Так, предполагается, что с его помощью можно будет «выключать» клетки рака кости.
Бионический глаз и 3D-кости: медицина будущего, доступная уже сейчас | РБК Тренды
8
Разработка бионических протезов — одно из самых технологичных направлений в медицине. Благодаря протезированию люди, оставшиеся без конечности, могут вести почти полноценную жизнь.
Раньше биопротезы выполняли простые функции разжатия или сжатия за счет оставшихся мышц, но сейчас они стали не просто заменой недостающей опоры, а настоящим функциональным гаджетом.
Уже сейчас на рынке есть модели со встроенными многофункциональными датчиками, модулями Wi-Fi.
Пока что основная проблема при разработке и распространении всех новейших медицинских технологий — их дороговизна и недоступность для большинства специалистов и простых людей. Например, бионический протез руки в России обойдется от ₽100 тыс. до ₽1,5 млн.
Илья Чех:
«Любая вновь создаваемая технология будет изначально очень дорогой и недоступной. Затем по мере ее развития она будет упрощаться, удешевляться. Ускорить этот процесс можно, например, с помощью создания огромного спроса (через субсидии) или прямых инвестиций в разработку и улучшение технологий и продуктов».
Следующий шаг в развитии протезирования — создание вживляемых интерфейсов, которые будут считывать сигналы мозга. С помощью таких технологий носители протезов смогут делать покупки в интернете, общаться в мессенджере, передавать информацию разработчикам протеза, выполнять сложные действия.
- Например, в 2015 году Агентство перспективных исследовательских проектов в области обороны США (DARPA) провело эксперимент, при котором парализованная женщина управляла авиасимулятором истребителя F-35 c помощью механических рук, которые получали сигналы от ее мозга.
- В апреле 2021 года проект Илона Маска Neuralink, который занимается созданием вживляемых чипов, показал видео, где макака играет в видеоигру с помощью такого импланта.
- Предполагается, что чип будет крепиться за ухо, от него к мозгу будут идти электроды, всего около 1 500 штук, каждый из которых в четыре раза тоньше человеческого волоса.
Операция по вживлению чипа — не сложнее лазерной коррекции зрения. Предполагается, что имплант в первую очередь будет полезен людям с неврологическими заболеваниями, но в будущем компания Маска планирует запустить массовое производство, чтобы с помощью чипов увеличить эффективность мозга.
Чип Neuralink ( Neuralink)
Российская компания «Моторика» тоже занимается разработкой вживляемых интерфейсов. По прогнозам Чеха, примерно через 20–30 лет технология станет доступной и безопасной для людей.
Бионический протез руки ( «Моторика»)
Ученые ТПУ нашли способ удвоить скорость заживления переломов
Ученые Томского политехнического университета смогли найти способ удвоить скорость восстановления поврежденных костей. Для этого они предложили использовать имплантаты, созданные на 3D-принтере.
Предложенная политехниками технология нанесения биоактивных покрытий на поверхность имплантатов также отличается заметной экономией времени и ресурсов.
Результаты опубликованы в журнале Modern Technologies in Medicine.
образцы имплантатов с кальций-фосфатным покрытием.
Восстановительная медицина в настоящее время, по словам ученых, во многом успешна благодаря развитию имплантатов из композитных биоматериалов, которые имитируют живые ткани. Они имеют в составе элементы с различными химическими и механическими свойствами.
Это позволяет намного точнее воспроизвести функции поврежденных тканей в организме. Наиболее эффективная технология производства имплантатов — 3D-печать, позволяющая получать персонализированные изделия для каждого пациента с учетом его анатомии.
Однако методы нанесения композитных покрытий на такие имплантаты только начинают развиваться.
Ученым ТПУ удалось определить оптимальные структурные параметры титановых имплантатов, производимых с помощью 3D-печати. Они также предложили методику их усовершенствования с помощью биоактивного кальций-фосфатного покрытия, обеспечивающее ускоренное восстановление поврежденных костей.
«Наше покрытие уже успешно применяется во всемирно известном травматологическом Центре Илизарова — имплантаты с ним установлены более чем 400 пациентам от 6 до 50 лет из России, Франции и других стран. Также успешно они используются в ветеринарной практике.
По результатам совместных исследований со специалистами центра до сих пор не наблюдалось ни одного случая отторжения организмом наших имплантатов, а скорость восстановления нормальной структуры костей и мышц благодаря покрытию выросла вдвое», — рассказал журналистам РИА Новости доцент научно-образовательного центра Б.П. Вейнберга ТПУ Сергей Твердохлебов.
Особенность разработки ученых Томского политеха заключается в комбинировании нескольких методов модифицирования материала. Это позволяет персонифицировать имплантаты не только по форме, но и по физико-химическим и биологическим свойствам, что необходимо при лечении сложных патологий и травм.
«В этой работе мы совместили ряд методов: микродуговое оксидирование позволило сформировать на поверхности титана пористое кальций-фосфатное покрытие, затем покрытие пропитали биоразлагаемым материалом, который служит контейнером для лекарств и биоактивных веществ, улучшающих приживаемость имплантата, и, наконец, плазменной обработкой методом магнетронного напыления материалу были приданы оптимальные свойства для разрастания на нем живых клеток», — пояснил Сергей Твердохлебов.
Для оптимизации свойств изделия и сокращения объема дорогостоящих экспериментов политехники в работе использовали компьютерное моделирование процесса выхода лекарственных препаратов, размещаемых на имплантате. Это, по словам ученых, ускорит выход новых типов имплантатов на рынок.
Работа над исследованием проводится в рамках федеральной целевой программы совместно с индустриальным партнером — компанией ООО «ОСТЕОМЕД-М».
Коллектив планирует развивать технологию биоактивных покрытий титановых и полимерных имплантатов для лечения остеопороза и других сложных патологий костной ткани.
Новый метод регенерации костей
«Чердак»
Ученые из Бирмингемского университета, университетского колледжа Дублина и Университета Лафборо исследовали способ восстановления костных тканей при помощи внеклеточных наночастиц – везикул.
Переломы – серьезная медицинская проблема. Переломов только от остеопороза в год насчитывается 8,9 млн. Несмотря на то, что кости способны к самостоятельному восстановлению, иногда организм не справляется с нагрузкой и требуется внешнее вмешательство. Например, в тех случаях, когда теряется слишком большое количество костной ткани при переломе или удалении остеосаркомы.
Стандартные методы регенерации костей, применяемые сегодня в клинической практике, могут привести к серьезным осложнениям и даже гибели пациента. В последние десятилетия разрабатываются новые способы восстановления костной ткани при помощи методов клеточной инженерии. Но они дорогостоящи и сталкиваются с законодательными и этическими ограничениями.
Ученые из Великобритании предложили инновационный способ восстановления больших объемов костной ткани, лишенный ограничений, присущих всем нынешним методам.
Для восстановления костной ткани ученые применили так называемые внеклеточные везикулы – частицы размером менее 200 нанометров. В организме эти частицы образуются естественным путем в процессе формирования костей.
В эксперименте использовались стволовые клетки костного мозга, полученные от молодого мужчины. Сначала ученые вырастили минерализующие остеобласты, затем путем центрифугирования отделили от них внеклеточные везикулы и поместили везикулы в среды со стволовыми клетками костного мозга.
Эксперимент показал, что внеклеточные везикулы направляли дифференциацию стволовых клеток костного мозга в сторону минерализации, то есть стимулировали образование из них клеток костной ткани.
При этом количество костной ткани, которое образовалось при применении внеклеточных везикул, превзошло современный клинический золотой стандарт – использование факторов роста (костных морфогенетических белков BMP2).
Для контроля результатов ученые использовали два типа сред – с минерализующими и неминерализующими остеобластами. Везикулы, полученные в среде неминерализующих остеобластов, не усиливали минерализацию тканей, что подтверждает регенерирующие способности частиц, полученных именно от минерализующих остеобластов.
- Результаты эксперимента были подтверждены при помощи рентгенографического флуоресцентного анализа и инфракрасной спектроскопии.
- Исследование, проведенное in vitro, открывает новые перспективы для восстановления твердых тканей – костей, зубов и хрящей.
- Результаты исследования опубликованы в журнале Scientific Reports.
- Портал «Вечная молодость» http://vechnayamolodost.ru
Российские ученые разработали новый способ создания хрящей для коленных суставов
МОСКВА, 5 августа. /ТАСС/.
Ученые Сеченовского университета совместно с коллегами разработали новый способ создания хрящей на основе клеток пациента, которые благодаря уникальной технологии повторяют физиологические и анатомические свойства натурального хряща, и начали проводить его испытания на животных. Об этом в понедельник сообщила ТАСС один из авторов исследования, ведущий научный сотрудник Института регенеративной медицины Сеченовского университета Настасья Кошелева.
«Хрящ, в том числе коленный, сложным образом соединен с костью и напрямую от нее зависит.
Чтобы воспроизвести так называемое остеохондральное соединение, мы берем клетки пациента, из них выращиваем в лаборатории сфероиды, то есть агломерат клеток с устоявшимися контактами и пресинтезированным внеклеточным матриксом, и совмещаем их с биополимерами. Далее из этого материала печатаем на биопринтере хрящ, задавая и варьируя плотность и прочность будущей ткани», — отметила собеседница агентства.
«Примечательно, что наши сфероиды размером всего 150-200 микрон (микрометров), что позволяет клеткам лучше взаимодействовать друг с другом, не теряя жизнеспособности.
Существующие аналоги используют лишь крупные сфероиды — свыше 500 микрон диаметром, которые неоднородны, и клетки внутри часто погибают от нехватки кислорода в крупном агломерате.
Аналогов совмещения сфероидов, биополимеров и биопечати для создания хрящевой ткани в мире нет», — пояснила соавтор исследования.
Суставы человека крайне подвержены заболеваниям, прежде всего, остеохондрозам, остеортрозам, когда хрящ истощается и разрушается. А также легко травмируются при падениях или высокой физической нагрузке.
И хотя исследования в области создания искусственных хрящей ведутся давно, но получить синтетический аналог с полностью нужными свойствами пока не удалось. Например, выращенные в пробирке хрящи имеют рыхлую структуру.
Но самый важный недостаток — у всех искусственных аналогов не формируется остеохондральное соединение между хрящом и костью, а значит, сустав не сможет выполнять своих функций в полном объеме.
Группа ученых из Сеченовского университета совместно с коллегами из Институтов Фотонных технологий и Химической физики РАН, МГУ имени М.В.
Ломоносова предложила для создания искусственных хрящей брать не просто отдельные клетки пациента, а клеточные сфероиды — агломераты клеток пациента, которые уже образовали межклеточные связи и матрикс, по сути готовые микроткани для сборки полноценной ткани.
Готовые хрящи ученые получают с помощью двух способов: либо печатают на биопринтере полимерную конструкцию, которую затем заполняют сфероидами, либо сразу соединяют сфероиды с полимерами и готовый материал отправляют в биопринтер.
В дальнейшем ученые намерены усовершенствовать свою технологию и перейти к доклиническим испытаниям на клетках человека. Для этого команда Сеченовского университета подала заявку на мегагрант и планирует привлечь для работы в своем университете одного из крупнейших в мире специалистов в области терапии коленных суставов.
Восстановление клеток спинного мозга in vivo | Новости | «Лечащий врач» – профессиональное медицинское издание для врачей. Научные статьи
Ученые из СПбГУ в коллаборации с Каролинским институтом (Швеция) впервые на модели in vivo показали возможность создания клеток ЦНС, способных выполнять свои обычные функции и восстанавливать поврежденный спинной мозг при травмах. Клетки выстилки центрального канала спинного мозга можно трансформировать в олигодендроциты, формирующие «изоляционный материал» вокруг аксонов нервных клеток.
«Нервные клетки не восстанавливаются» — наивное предостережение, имеющее мало общего с научными фактами
В мозге даже взрослого человека существуют процессы нейрогенеза. Этих способностей хватает для поддержания когнитивных функций, но уже недостаточно для, например, восстановления спинного мозга после серьезной травмы. Обычно это приводит к появлению в нервной ткани «глиального рубца» — и прежние функции спинного мозга в полном объеме вернуть уже не получается.
Результаты работы отечественных и шведских ученых опубликованы в статье в престижном научном журнале Science.
Экспериментальная часть
Группа исследователей из Каролинского института и Санкт-Петербургского государственного университета под руководством пионера в области исследований стволовых клеток мозга профессора Йонаса Фризена смогла сделать шаг к тому, чтобы научиться восстанавливать поврежденные ткани центральной нервной системы внутри живого организма. Эксперименты проводились на мышах с использованием трансгенных технологий. Ученые показали, что при различных травмах спинного мозга у мышей можно управляемо запустить процесс образования полноценных олигодендроцитов, которые будут выполнять свои функции по миелинизации аксонов нервных клеток поврежденной ткани. Именно олигодендроциты, оборачивая свои отростки вокруг аксонов нервных клеток, формируют так называемые миелиновые оболочки — особый «изоляционный материал», который способствует быстрому распространению нервных импульсов в центральной нервной системе (ЦНС).
Образование олигодендроцитов происходило из эпендимальных клеток, которые выстилают центральный канал спинного мозга.
Для этого в этих клетках с помощью генетических технологий искусственно вызывали появление особенного белка, транскрипционного фактора Olig2, который в норме управляет программой формирования специфических свойств (дифференцировки) клеток олигодендроцитов в ЦНС в эмбриональном развитии.
«Возможно, благодаря подобным научным исследованиям в будущем нам удастся полностью восстанавливать повреждения в центральной нервной системе у людей», – поделился оптимизмом заведующий лабораторией биологии синапсов Института трансляционной биомедицины Олег Шупляков.
Следующие шаги исследователей — детальное изучение программ запуска дифференцировки нервных клеток различных модальностей у позвоночных, а также разработка медицинских технологий, которые помогут восстанавливать функции центральной нервной системы после травм ЦНС и при нейродегенеративных заболеваниях у человека.
«Публикация в Science — это хороший пример научного международного сотрудничества. Возможность работать и думать вместе позволяет подойти к решению проблемы шире, использовать мультидисциплинарный подход и достичь результатов мирового уровня, которые невозможно было бы получить в одной лаборатории.
В Институте трансляционной биомедицины СПбГУ уже несколько лет ведутся работы как по поиску новых методов восстановления функций спинного и головного мозга, так и по разработке новых методов перепрограммирования и дифференцировки клеток.
Уникальные генетические технологии, разработанные в рамках данной работы, придадут новый импульс этим направлениям и позволят специалистам института по-новому решать ключевые проблемы современной биомедицины», — считает директор Института трансляционной биомедицины СПбГУ, научный руководитель Клиники высоких медицинских технологий имени Н. И. Пирогова СПбГУ профессор Рауль Гайнетдинов.
Источник: пресс-служба СПбГУ
Оригинальный текст исследования: http://doi.org/10.1126/science.abb8795
Российские врачи научили организм выращивать новую кость
Эта технология применима при зубном протезировании, когда требуется остеопластика – пересадка фрагмента кости из другой части тела либо от животных
НУР-СУЛТАН, 2 сен — Sputnik. Российские ученые из Центрального НИИ стоматологии и челюстно-лицевой хирургии придумали, как заставить человеческий организм выращивать новую костную ткань самостоятельно. Первые лабораторные эксперименты прошли успешно, передает РИА Новости.
Костную пластику при установке зубных имплантов делают нескольким тысячам пациентов в год. Как правило, пользуются искусственным материалом, часто изготовленным из животного сырья. Костная ткань вокруг формируется, однако, как отмечают специалисты, в недостаточном объеме. И титановый имплант, на который потом ставят коронку, приживается не всегда.
«Материалы, которые применяются в настоящее время, позволяют получить примерно 35 процентов костной ткани в зоне регенерата. Если мы возьмем так называемый золотой стандарт — аутопластику, когда у самого пациента забирают небольшой кусочек костной ткани, измельчают и помещают в зону дефекта, то образуется более 60 процентов новой ткани.
Но это дополнительное операционное поле, болевые ощущения, потеря крови, развитие гематом и прочее. Основная задача разработчиков остеопластических материалов — добиться таких же показателей как при золотом стандарте, когда используется собственная костная ткань», — отмечает заведующий лабораторией генетики стволовых клеток Медико-генетического научного центра имени академика Н. П.
Бочкова, доктор биологических наук Дмитрий Гольдштейн.
Зуб в глаз пересадили слепой женщине в Израиле
Вот уже пятый год он вместе с коллегами из Центрального НИИ стоматологии и челюстно-лицевой хирургии пытается решить эту задачу. Причем пошли они по нестандартному пути — нацелились заставить человеческий организм самостоятельно формировать новую костную ткань.
По словам биотехнологов, подобную методику и клетки можно использовать для выращивания био-«протезов», способных заменить поврежденные кости в теле человека.
Регенерация по запросу
«Мы взяли за основу BMP-2 — морфогенетический белок, который стимулирует образование костной ткани. У нас в организме есть мезенхимальные стволовые клетки — МСК.
Они способны дифференцироваться в различные типы зрелых клеток и участвовать в регенерации самых разных видов тканей.
Так вот, даже при небольшом количестве молекул белка BMP-2 МСК превращаются в клетки костной ткани», — объясняет Дмитрий Гольдштейн.
Китаец 20 лет жил с зубом в носу
Этот белок вносят в матрицу из термоотверждаемого коллагенового гидрогеля и полилактидных частиц и помещают в зону костного дефекта. Со временем туда попадают и МСК — они образуются в костном мозге и разносятся по организму с кровотоком. Под действием BMP-2 из них образуется новая костная ткань.
«Мы исследовали полученный нами материал in vitro (на клеточных культурах — Прим. ред.) и in vivo на животных. На крысах с критическими теменными дефектами мы наблюдали образование костной ткани в тех же объемах, как при аутопластике. Сейчас мы готовимся к регистрационным испытаниям», — говорит ученый.
По образу и подобию «Спутника V»
Как отмечают исследователи, бумажные дела могут занять пару лет. И за это время полученный материал усовершенствуют — сделают еще более эффективным, а главное — дешевым.
«Мы взяли ту же матрицу. Наши опыты показали, что она обладает хорошей биосовместимостью и не вызывает воспаления. Но белок заменили на аденовирусный вектор пятого серотипа.
Такой же, как в вакцине «Спутник-V», только вместо гена S-белка коронавируса в него встроен ген BMP-2.
Матрицу помещаем в зону костного дефекта, модифицированный аденовирус проникает в клетки человека и стимулирует синтез белка BMP-2 — внутри матрицы. Наращивается новая кость», — рассказывает Дмитрий Гольдштейн.
Для пациента процедура будет выглядеть следующим образом.
Врач смешивает несколько компонентов — термоотверждаемый гель и полилактидные частицы с нанесенными на их поверхность аденовирусными частицами.
Потом разрезает десну и залепляет смесью, словно пластилином, зону костного дефекта. Слизистую зашивают. Через три-четыре месяца материал полностью рассосется и на его месте появится костная ткань.
Загадочное свойство воды выявили ученые
В аденовирус встраивается ген BMP-2. Затем матрицу с модифицированным аденовирусом помещают в зону костного дефекта. Там он проникает в клетки человека и способствует производству белка BMP-2. Молекулы последнего прикрепляются к мембранам мезенхимальных стволовых клеток (МСК).
Они образуются в костном мозге и вместе с кровотоком попадают к тому месту, где необходимо нарастить кость. МСК способны дифференцироваться в различные типы зрелых клеток и участвовать в регенерации самых разных видов тканей.
Под действием белка BMP-2 они превращаются в клетки костной ткани — остеобласты.
Иммунитет не помеха
Ученые предполагают, что созданный ими материал можно будет использовать для наращивания костной ткани не только в челюсти — везде, где это необходимо. Это эффективнее, чем любые известные сегодня остеопластические аналоги. Единственное, что может помешать, — иммунная система пациента. Но разработчики нового метода это предусмотрели.
«Безусловно, у человека могут быть антитела на белки аденовируса. Однако, во-первых, этот аденовирус находится в матрице и доступ к нему ограничен для иммунокомпетентных клеток.
Во-вторых, выраженный иммунитет на аденовирусный вектор, как правило, непродолжителен. Конечно, если там остались протективные антитела, какое-то количество аденовирусных частиц иммунная система уничтожит.
Однако если дать их с запасом, мы обеспечим достаточную терапевтическую эффективность», — подчеркивает Дмитрий Гольдштейн.
По словам заместителя директора по научной работе Национального медицинского исследовательского центра травматологии и ортопедии имени Илизарова, кандидата биологических наук Евгения Овчинникова, подобные материалы позволят избежать отторжения и изнашивания костных имплантов.
Новинку уже удачно протестировали на кроликах. Сейчас готовятся документы для регистрации. В ближайшие несколько лет разработку вполне могут ввести в клиническую практику. Впрочем, сами исследователи называют это компромиссным вариантом, так как данный материал чаще отторгается, чем тот, что из собственных тканей пациента.
Новая методика анализа восстановления костей
Новая методика анализа восстановления костей
Группа ученых Массачусетского университета в Амхерсте разработала методику воссоздания сложной структурыкостной ткани и ремоделирования процессов образования костей. Эта методика позволит в дальнейшем улучшить эффективность лекарств для лечения остеопороза.
Результаты исследования были опубликованы в журнале Science Advances. Ученые создали новый биоматериал, так называемую деминерализованную костную бумагу. Команда разработала органоидную модель трабекулярной кости, воспроизводящую клеточные процессы в полостяхгубчатой ??кости.
Губчатая(трабекулярная) кость, представляет собой пористую структуру с множеством пустых полостей, что придает ей вид сотов. Трабекулярные кости выполняют роль «амортизаторов» в теле и передают механические нагрузки с поверхности суставов на кортикальные кости.
В губчатой кости, по сравнению с кортикальной, содержится меньшее количество кальция, но, в то же время, больше костного мозга. По мере старения организма плотность губчатой ??кости снижается.
Ремоделирование костей – представляет собой процесс, который идет всю жизнь и в ходе него старая костная ткань удаляется и формируются новая костная ткань.
Эти процессы также участвуют в восстановлении костей после травм и микроповреждений, возникающих в ходе обычной повседневной активности.
Формирование костей идет послойно – сначала костеобразующие клетки создают структурный коллаген, который, в дальнейшем минерализуется и трансформируется в твердую костную ткань. Этот процесс реконструкции и моделирования костной ткани проходит в течение всей жизни.
Ученые из Университета Массачусетса использовали бычьи кости, которые были очищены и разделены на небольшие кусочки и затем провели химическуюдеминерализацию.
Для воспроизведения процессаремоделирования костей, команда создала из компактной кости животных новый биоматериал -деминерализованную костную бумагу, которая фактически дублирует структурную матрицу костной ткани крупного рогатого скота.
Этот материал имеет механическую прочность, полупрозрачен и имеет определенную толщину и площадь.
Деминерализованная костная бумага поддерживает деятельность клеток остеобластов и остеокластов, которые могут функционировать только на поверхности кости. Остеокласты отвечают за резорбцию старой кости, а остеобласты участвуют в формированииновой кости.
Костная бумага выполняет роль шаблона, на котором остеобласты формируютструктурные минералы и образуют остеоидную кость, аналогичную той, что образуется в живом организме. Полупрозрачность костной бумаги материала позволяет наблюдать за происходящими клеточными процессами. Кроме того, материал тонкий, но достаточнопрочный и с ним легко работать и производитьв больших количествах.
Главный автор исследования Юнкук Пак говорит, что модель губчатой ??кости на основе материала, полученного из костей крупного рогатого скота, может быть использована для трансляционных исследований. Гуманизированные модели губчатой ??кости могут значительно улучшить процесс доклинических исследований препаратов для лечения остеопороза и сократить период скрининга их эффективности.
Загрузка...
