Какие биологические эксперименты проводятся в настоящее время краткое сообщение
Обновлено: 05.07.2024
Искусственное создание живых тканей, органов и даже целых организмов на протяжении всей истории человечества было предметом мифов, легенд и фантастических историй, и не давало покоя человеческому воображению.
Оглавление статьи:
- Кожа и внутренний каркас скелета
- Внутренние органы и системы организма
- Сердечно-сосудистая и кровеносная система
- Железы внутренней секреции
- Органы сенсорного восприятия
- Мозг и сложные элементы нервной системы
- Заключительная часть исследования
В настоящее время в мире активно ведутся работы по выращиванию практически любых тканей и органов человеческого тела. Некоторые из них уже находятся в клиническом использовании, другие - еще на испытаниях и в разработке.
В предыдущей статье на эту тему мы коротко рассказал вам про основные технологии Биоинжиниринга. Теперь давайте перейдем от теории к практике и вместе посмотрим на то, чего удалось достичь биоинженерам за последние пять лет.
Кожа, мышцы и внутренний каркас скелета
Сегодня ученые сосредоточилась на клеточном и генном уровнях, открывающих поразительные для современного состояния медицины перспективы. Существуют убедительные опыты, доказавшие возможность выращивания на базе стволовых клеток тканей костного мозга, печени, поджелудочной железы хрящевых образований.
В 2015 году группа биотехнологов из Массачусетской общей больницы в Бостоне , которые создали первую в мире искусственную бионическую конечность крысы, вырастив ее мускулы, суставы и сосуды из стволовых клеток.
Создана так называемая "мускульная" ткань, реагирующая на сигналы поступающие от нерва. Это стало возможным благодаря нервно-мышечному соединению, выращенному из клеток мышечной ткани и нейрональных клеток.
Эта ткань потенциально может быть использована для фармакокинетических анализов, для создания привода мышц биороботов и биопротезов.
Выращенная биоинженерная мышца оказалась способна к развитию, регенерации и смогла прижиться после трансплантации её животному.
Разработана технология получения мышц из ИПСК, которые можно неограниченно размножать культивацией, что позволит выращивать мышечную ткань в больших количествах.
В 2016 году ученые из медицинского центра Рочестерского университета (США) обнаружили стволовые клетки, которые могут реконструировать кости лицевого отдела черепа и черепную коробку мышей. Исследование опубликовано в "Nature Communications".
В 2016 году команда австралийских инженеров и хирургов разработала устройство для тонкой трехмерной биопечати, которое позволяет создавать персонифицированные хрящевые импланты из стволовых клеток непосредственно во время операции. Результаты работы опубликованы в журнале "Biofabrication".
В 2016 году международная группа ученых под руководством Рамиллы Шах предложила новейшую разработку – технологию гиперэластичных костей. Гиперэластичные кости состоят из такого минерала как гидроксиапатит.
В данном случае речь идет о гиперэластичных биочернилах. Из них печатаются костные импланты любой формы и размера.
В 2016 году биологи из института RIKEN (Япония) вырастили из стволовых клеток полноценную кожную ткань, которую успешно имплантировали в тело мыши.
В 2016 году в журнале " Biofabrication" учёные из Испании рассказали о новом 3D-принтере, печатающем кожу, полностью идентичную человеческой за короткие сроки. Данное изобретение незаменимо в трансплантологии, при обширных ожогах, в косметологии.
Метод печати кожи, разработанный специалистами из Испании уникален и тем, что за столь короткое время с его помощью можно напечатать необходимый для пересадки фрагмент кожи для конкретного человека.
В 2017 году ученые провели эксперимент по выращивания клеток в виде сфероидов в висячей капле. Она была использована для культивации клеток, которые способны заново индуцировать образование волосяных фолликулов в коже человека.
В 2017 году в Китае детям с врожденным дефектом уха пересадили 3D-печатные уши.
В 2018 году ученые из Института регенеративной медицины в Уэйк Форесте создали Систему печати интегрированных тканей и органов.
По сути, это инновационный 3D-биопринтер, способный производить новые органические ткани для трансплантации, которые ничем не будут отличаться от реальных.
Для доказательства работоспособности своего изобретения ученые напечатали часть челюстной кости, мышцу, а также различные хрящевые структуры, в том числе и удивительно пропорциональное человеческое ухо.
В 2019 году ученые из Сеченовского университета совместно с коллегами из Института фотонных технологий ФНИЦ "Кристаллография и фотоника" создали инновационный биопринтер BioDrop , который произведет переворот в регенеративной медицине.
В частности, он даёт возможность в разы повысить качество таких сверхчувствительных биоматериалов, как барабанная перепонка.
В эпоху бурного развития медицины и перехода к шестому технологическому укладу, существенно возрастает роль биологии, что мы сегодня и можем наблюдать. Различные исследования, связанные с генной инженерией, клеточными технологиями, нейробиологией и многими другими отраслями данной науки сегодня открывают совершенно невиданные доселе перспективы. В связи с этим данные исследования активно финансируются, и каждый год мы можем наблюдать все новые открытия и достижения современной биологии, которые способны удивить любого.
Технология печати органов на 3D-принтере
Аддитивные технологии или технологии 3D печати уже шагнули настолько далеко, что ученые даже пытаются с их помощью выращивать живые органы. И вот недавно израильским ученым удалось при помощи подобного устройства напечатать реальное человеческое сердце в миниатюре. Сердце имеет такие же кровеносные сосуды и клетки, которые выполнены из специальной смеси стволовых клеток человека и соединительной ткани. Сердце может сокращаться, и следующим этапом является совершенствование данной технологии, чтобы заставить его еще и перегонять кровь. Ученые полагают, что в ближайшие 10-15 лет мы сможет наблюдать, как подобные принтеры будут появляться в разных странах по всему миру, и с их помощью люди будут выращивать реальные органы.
Сердце, напечатанное на 3D принтере
Бессмертные существа – Тихоходки
Тихоходка под микроскопом
В другом эксперименте этих существ охлаждали в жидком кислороде (-193 °C) и гелии (-271 °C), после чего также обнаруживали тихоходок живыми и здоровыми. С ними даже проводили эксперименты в космосе, благодаря чему удалось выяснить, что они способны выживать в вакууме и выдерживать облучение критическими дозами ультрафиолета. В связи с этим ученые принялись активно исследовать генетику и особенности строения тихоходок, так как это может помочь в будущем при освоении дальнего космоса.
Достижение современной биологии – нанороботы
В результате синтеза нанотехнологий и достижений современной биологии ученым удалось создать уникальных нанороботов, которые способны поместиться внутри человеческих кровеносных сосудов. Плавая по крови, такие роботы способны очищать её от токсинов, вредных бактерий и других опасных веществ. Ученые считают, что такой способ в будущем может стать идеальным способом очистки организма и лечения различных заболеваний. Для создания роботов частично были использованы живые клетки, в которых были сохранены все их изначальные функции. Благодаря этому нанороботы представляют собой настоящих киборгов, живая ткань которых совмещает нановолокна золота и искусственные материалы.
Визуализация гибридных нанороботов к крови человека
Схожие технологии также хотят использовать для того, чтобы адресно доставлять по кровеносной системе человека лекарства и другие полезные вещества к тому органу, который этого требует. Нанороботов вполне можно запрограммировать на выполнение конкретного задания в организме человека или поиск источника заболевания. При помощи магнитных технологий в будущем ученые планируют научиться управлять нанороботами прямо в теле человека, таким образом, их функции и задачи можно будет менять уже после того, как эти роботы попадут внутрь кровеносной системы.
Клеточная биология: стволовые клетки человека
На сегодняшний день клеточные технологии являются одним из главных трендов современной биологии, в русле которого проводится множество исследований. Такие технологии направлены на то, чтобы научиться управлять биологическими процессами в организме на клеточном, т.е. на базовом биологическом уровне, а также получить возможность персонализировать медицинское вмешательство, сделав его максимально эффективным для каждого отдельного человека.
Сердце человека, выращенное из стволовых клеток
Медицина – это область, которая постоянно развивается. Благодаря ей были уничтожены некоторые болезни, созданы дети, а заболевания, которые раньше были серьезными, теперь относительно легкие. Технологии также сыграли большую роль в становлении медицинской науки, сделав ее эффективнее, чем когда-либо прежде.
1. Искусственный иммунитет
В нашем организме есть иммунные телохранители – Т-клетки, которые обеспечивают защиту от возбудителей инфекционных заболеваний, но при извлечении из организма они выживают всего несколько дней, поэтому их невероятно трудно синтезировать в лаборатории. Команда биоинженеров из University of California Los Angeles (UCLA) в результате упорного труда смогла создать синтетические Т-клетки, которые имитируют форму, размер, гибкость и базовую функциональность природных Т-клеток. После активизации эти заменители смогли атаковать инфекции и раковые клетки.
2. Трансплантаты будущего, которые возможно просто напечатать
Команда исследователей из Имперского колледжа и Королевского колледжа Лондона разработала новую технику для создания 3-D органов и тканей человека, используя криогенную заморозку. Таким образом, создали достаточно мягкие ткани, имитирующие свойства тканей головного мозга и легких. Также ученые надеются, что эту технику удастся использовать для регенерации поврежденных тканей без дополнительного риска, а именно отторжения организмом.
Национальный научный фонд в Северо-Западном университете США (NSF Northwestern University) сумел напечатать на 3D-принтере синтетическую кость из упругой керамики, которая сможет заменить поврежденную.
3. Донорская кровь для всех
Ученые из UBC говорят о возможности преобразовать все группы крови в отрицательный тип О. Она жизненно необходима, когда счет идет на секунды, возможно, человек попал в аварию, и нет времени проверять группу крови. Именно тогда больницы собираются использовать эту гибкую кровь.
Типы крови различаются по сахару на поверхности эритроцитов – антигену. Если пациент получает несовместимую группу крови, организм будет вырабатывать антитела, атакующие эритроциты. Универсальная донорская кровь не будет содержать антигенов.
4. Из клеток крови добыли клетки мозга
Впервые ученые перепрограммировали клетки крови в нейронные стволовые клетки, которые могут неограниченно размножаться и модифицироваться с помощью генной терапии CRISPR. Эти клетки подобны тем, которые возникают во время раннего эмбрионального становления центральной нервной системы. Исследование было проведено Немецким онкологическим центром (DKFZ) совместно с Гейдельбергским институтом технологий стволовых клеток и экспериментальной медицины (HI-STEM).
5. Люди с отредактированными генами
Когда китайский биолог Хе Цзянькуй в 2018 году объявил о том, что на свет появились первые в мире девочки-близнецы с генным редактированием научный мир взбудоражился. Технология CRISPR обеспечила бы защиту иммунитета против таких страшных болезней современности, как ВИЧ и рак.
Это громкое событие вызвало целую бурю споров и скандалов со стороны ученых и общественности. Почему так? Оказывается в первые годы существования генной терапии, когда предварительных исследований было намного меньше, зафиксировали три смерти, которые существенно приостановили деятельность в этом поле.
6. Быстрое получение лекарств из малых молекул
На данный момент изучение молекул для разработки новых лекарств – достаточно трудный и медленный процесс. Химики из Калифорнийского университета начали использовать электронные микроскопы, которые значительно ускоряют процесс анализа структуры крошечных нанокристаллов. Маленькие молекулы являются ключевыми ингредиентами большинства препаратов, ведь их размер позволяет легче проникать через тесные соединения клеточной мембраны.
7. Победа на поле битвы за рак?
За достижения в области физиологии и медицины Нобелевскую награду отдали Джеймсу П. Эллисону и Тасуку Хонхо. Случилось это совсем недавно, в 2018 году, а мировое признание получила их новаторская работа по управлению иммунной системой для борьбы с раком.
Вкратце опишем метод лечения: терапия будет работать, используя иммунную систему для атаки на опухолевые клетки. Открытие было сделано еще в 1990-х годах, но признано лишь в 2018 году.
Эти методы лечения могут победить даже самые смертельные злокачественные новообразования.
Например, лимфому и лейкемию будут лечить с помощью антител, которые могут прикрепиться к нужным белкам раковых клеток, что позволит иммунной системе легче распознавать и разрушать эти клетки.
8. Искусственный интеллект обнаружит болезнь лучше, чем врач
Пока речь идет о раке кожи. Статистика ВОЗ говорит, что в мире ежегодно фиксирую от 2 до 3 миллионов немеланомных и 132 тысячи меланомных раковых заболеваний кожи, а каждый третий тип рака – это рак кожи. Даже высококвалифицированные врачи ошибаются, когда ставят диагноз, ведь это достаточно сложно сделать визуально.
Опубликованные исследования в Annals of Oncology утверждают, что ИИ достигал уровня обнаружения рака кожи в 95% случаев, в то время как врачи-люди остановились на отметке 87%.
Биология достигла значительных успехов за последние 30 лет. Эти достижения в научном мире выходят за рамки всех областей, окружающих человека, непосредственно влияя на благосостояние и развитие общества в целом..
Будучи отраслью естественных наук, биология фокусирует свое внимание на изучении всех живых организмов. Каждый день технологические инновации позволяют проводить более конкретные исследования структур, которые образуют виды пяти естественных царств: животных, овощей, монет, протистов и грибов..
Таким образом, биология усиливает свои исследования и предлагает новые альтернативы различным ситуациям, от которых страдают живые существа. Точно так же он делает открытия новых видов и вымерших видов, что способствует прояснению некоторых вопросов, связанных с эволюцией..
Одним из главных достижений этих достижений является то, что эти знания распространились за пределы исследователя, достигнув ежедневных масштабов..
В настоящее время такие термины, как биоразнообразие, экология, антитела и биотехнология, не предназначены исключительно для использования специалистом; его трудоустройство и знания по этому вопросу являются частью повседневной жизни многих людей, не преданных научному миру.
Самые выдающиеся достижения в биологии за последние 30 лет
Интерференционная РНК
В 1998 году была опубликована серия исследований, связанных с РНК. В них утверждается, что экспрессия гена контролируется биологическим механизмом, называемым РНК интерференции..
Посредством этой РНКи гены, специфичные для генома, могут быть отключены после транскрипции. Это достигается небольшими молекулами двухцепочечной РНК.
Эти молекулы действуют путем своевременного блокирования трансляции и синтеза белков, которые происходят в генах мРНК. Таким образом, действие некоторых патогенов, вызывающих серьезные заболевания, будет контролироваться.
РНКи является инструментом, который внес большой вклад в терапевтическую область. В настоящее время эта технология применяется для выявления молекул, обладающих терапевтическим потенциалом против различных заболеваний..
Первое взрослое млекопитающее клонировано
Первая работа по клонированию млекопитающего была проведена в 1996 году учеными в отношении одомашненных овец.
Для проведения эксперимента использовали соматические клетки молочных желез, которые находились во взрослом состоянии. Используемый процесс был ядерной передачей. Получившаяся в результате овца Долли росла и развивалась, способная размножаться естественным путем без каких-либо неудобств..
Картирование генома человека
Для этого биологического прорыва потребовалось более 10 лет, что было достигнуто благодаря вкладу многих ученых во всем мире. В 2000 году группа исследователей представила почти окончательную схему карты генома человека. Окончательный вариант работы был завершен в 2003 году..
Эта карта генома человека показывает расположение каждой из хромосом, которые содержат всю генетическую информацию человека. С помощью этих данных специалисты могут знать все детали генетических заболеваний и любые другие аспекты, которые вы хотите исследовать.
Стволовые клетки из клеток кожи
До 2007 года обрабатывали информацию о том, что плюрипотентные стволовые клетки были обнаружены только в эмбриональных стволовых клетках..
В том же году две команды американских и японских исследователей выполнили работу, в которой им удалось обратить клетки взрослой кожи, чтобы они могли действовать как плюрипотентные стволовые клетки. Они могут быть дифференцированы, будучи в состоянии стать любым другим типом клеток.
Члены роботизированного тела контролируются мозгом
В течение 2000 года ученые из медицинского центра Университета Дьюка вживили несколько электродов в мозг обезьяны. Цель состояла в том, чтобы это животное могло контролировать роботизированную конечность, позволяя ему собирать пищу.
В 2004 году был разработан неинвазивный метод с целью захвата волн, исходящих из мозга, и использования их для управления биомедицинскими устройствами. В 2009 году Пьерпаоло Петруцциелло стал первым человеком, который с помощью робота мог выполнять сложные движения..
Это может быть достигнуто с помощью неврологических сигналов от его мозга, которые были получены нервами руки.
Редактирование основ генома
Ученые разработали более точную технику, чем редактирование генов, восстанавливающих гораздо меньшие сегменты генома: основы. Благодаря этому основания ДНК и РНК могут быть заменены, решая конкретные мутации, которые могут быть связаны с заболеваниями.
Таким образом, базы AT стали парой GC. Этот метод переписывает ошибки, представленные генетическим кодом, без необходимости вырезать и заменять целые области ДНК.
Новая иммунотерапия против рака
Эта новая терапия основана на атаке на ДНК органа, который представляет раковые клетки. Новый препарат стимулирует иммунную систему и применяется при меланоме..
Препарат был одобрен Управлением по контролю за продуктами и лекарствами США (FDA).
Генная терапия
Одной из наиболее распространенных генетических причин смерти детей является спинальная мышечная атрофия 1-го типа. Этим новорожденным не хватает белка в двигательных нейронах спинного мозга. Это приводит к тому, что мышцы ослабевают и перестают дышать.
У детей, страдающих от этой болезни, появилась новая возможность спасти свою жизнь. Это метод, который включает отсутствующий ген в нейронах позвоночника. Мессенджер - это безвредный вирус, называемый аденоассоциированным вирусом (AAV)..
Генная терапия AAV9, ген белка которой отсутствует в нейронах спинного мозга, проводится внутривенно. В большом количестве случаев, когда применялась эта терапия, дети могли есть, сидеть, разговаривать, а некоторые даже бегать.
Человеческий инсулин с помощью технологии рекомбинантных ДНК
Производство человеческого инсулина с помощью технологии рекомбинантных ДНК представляет собой важный прогресс в лечении пациентов с диабетом. Первые клинические испытания рекомбинантного человеческого инсулина на людях начались в 1980 году..
Это было сделано путем раздельного получения цепочек А и В молекулы инсулина, а затем их объединения химическими методами. Однако рекомбинантный процесс изменился с 1986 года. Генетическое кодирование проинсулина человека вводится в клетки кишечной палочки..
Затем их культивируют путем ферментации с получением проинсулина. Связывающий пептид ферментативно отщепляется от проинсулина с образованием человеческого инсулина.
Преимущество этого типа инсулина в том, что он обладает более быстрым действием и меньшей иммуногенностью, чем у свинины или говядины..
Трансгенные растения
В 1983 году были выращены первые трансгенные растения..
Через 10 лет первое генетически модифицированное растение было коммерциализировано в Соединенных Штатах, а через два года томатная паста из ГМ-растения (генетически модифицированная) вышла на европейский рынок..
На тот момент генетические модификации регистрировались каждый год у растений по всему миру. Эта трансформация растений осуществляется через процесс генетической трансформации, где вставляется экзогенный генетический материал
Основой этих процессов является универсальная природа ДНК, содержащая генетическую информацию большинства живых организмов..
Эти растения характеризуются одним или несколькими из следующих свойств: толерантность к гербицидам, устойчивость к вредителям, модифицированный аминокислотный или жировой состав, мужское бесплодие, изменение цвета, позднее созревание, введение маркера селекции или устойчивость к вирусным инфекциям.
Читайте также: