Informacija

Kokie yra kamieninių ląstelių inžinerijos principai?

Kokie yra kamieninių ląstelių inžinerijos principai?


We are searching data for your request:

Forums and discussions:
Manuals and reference books:
Data from registers:
Wait the end of the search in all databases.
Upon completion, a link will appear to access the found materials.

Tarkime, kad norite paversti odos ląstelę į pluripotentinę kamieninę ląstelę. Žinau, kad šiuo tikslu buvo nustatyti keli genai (neseniai suteikta Nobelio premija). Tačiau, be tokių genų radimo, atrodo, kad taip pat reikia išlaikyti tinkamą aplinką, kad kai kurie svarbūs receptoriai nesuveiktų ir nepakeistų visos išraiškos. Atrodo, kad tai taip pat apima genų ekspresijos stabilumo užtikrinimą po pasikeitimo. Ar kas nors galėtų tai pridėti? Kokios yra plačios kamieninių ląstelių inžinerijos paradigmos idėjos?


Perprogramavimo veiksnių „Oct4“, „Sox2“ ir „Klf4“ vaidmuo atkuriant somatinių ląstelių epigenomą sukeltos pluripotentinės kamieninių ląstelių generacijos metu

Dabartinė perprogramavimo technologija, kurią pradėjo Takahashi ir Yamanaka 1, buvo sukurta remiantis keliais esminiais vystymosi biologijos pasiekimais. Pirma, branduolio perdavimo eksperimentai parodė, kad somatinių ląstelių branduolys gali būti epigenetiškai atstatytas į ankstyvą vystymosi būseną [2]. Antra, buvo sukurtos ląstelių auginimo sąlygos, leidžiančios išskirti ir kultivuoti pluripotentines ląsteles, vadinamas embrioninėmis kamieninėmis (ES) ląstelėmis, iš vidinės žmogaus ir pelės blastocistos ląstelių masės [3, 4]. Galiausiai, tiriant šias ląsteles ir ankstyvą embriono vystymąsi, buvo nustatyti veiksniai, galiausiai galintys perprogramuoti pelės embrioninius fibroblastus (MEF) į iPS ląstelių būseną, kai jie yra išreikšti ektopiškai, nors ir žemu dažniu.

Somatinių ląstelių perprogramavimas yra daugiapakopis procesas, kurio kulminacija yra pluripotencijos genų, tokių kaip Nanog, ekspresija. Nors morfologiniai pokyčiai įvyksta ankstyvame ir tarpiniame perprogramavimo etapuose, pluripotencijos genų ekspresija yra sukeliama tik vėlyvoje stadijoje ir rodo ištikimą perprogramavimą.

Pagrindinis perprogramavimo kokteilis, sudarytas iš transkripcijos faktorių Spalio 4, „Sox2“ ir „Klf4“ galima papildyti veiksniais, kurie padidina iPS ląstelių generavimo efektyvumą

Tai daugiapakopis procesas, kurio metu dar reikia daug tyrimų,

Dažnis, kuriuo somatinės ląstelės virsta iPS ląstelėmis, paprastai yra mažesnis nei 1%. Todėl buvo įdėta daug pastangų tobulinant perprogramavimą.

specialiai padidinti efektyvumą iPS ląstelių generavimas

Taip pat įrodyta, kad ląstelių gebėjimas praeiti per ląstelių ciklą yra svarbus perprogramavimo efektyvumo veiksnys. P53, p21 ar baltymų, išreikštų iš „Ink4/Arf“ lokuso, išjungimas arba genų ištrynimas leidžia ląstelėms, kurios yra perprogramuojamos, išvengti ląstelių ciklo kontrolinių taškų aktyvavimo ir ląstelių senėjimo, o tai lemia didesnį iPS ląstelių susidarymą [21], 24–27].

Genų ekspresija keičiasi perprogramuojant


Visų pirma, kamieninių ląstelių terapija yra ląstelių terapija, kurią JAV reguliuoja tokios agentūros kaip FACT (ląstelių terapijos akreditavimo fondas), CAP (Amerikos patologų kolegija) ir FDA (maisto ir vaistų administracija). Gamyba turi atitikti GTP (geros audinių praktikos) ir GMP (geros gamybos praktikos) standartus. Netgi produktų ženklinimas pereina prie darnios sistemos ISBT128, kurią valdo ICCBBA (Tarptautinė kraujo bankų automatizavimo bendrumo taryba). Pagrindinis dalykas yra tai, kad viskas yra griežtai reglamentuota ir gaminama laikantis griežtų saugos, atitikties ir dokumentacijos standartų. Ne visi yra FACT akredituoti, tačiau nauda tampa vis svarbesnė, ypač draudimo teikėjams (nuoroda). Terapijos gamyba, be abejo, yra brangi. Dvi FDA patvirtintos CAR-T imunoterapijos YESCARTA ir Kymriah kainuoja apie 500 000 USD.

Taigi jūs turite daugybę kamieninių ląstelių terapijos rūšių. Kaulų čiulpų transplantacija laikoma kamieninių ląstelių terapija, tada jūs turite terapiją, apimančią žmogaus embriono kamienines ląsteles (hESC) ir žmogaus sukeltas pluripotentines kamienines ląsteles (hiPSC).

Kalbant apie hiPSC, grupės sėkmingai augino transkripcijos faktorius, tokius kaip „Oct4“, „Sox2“, „Klf2“ ir pan., Ir naudojo sendai virusą, kad šie transkripcijos faktoriai būtų perduodami tiesiai į ląstelę („Thermofisher's Cytotune®-iPS Sendai“ perprogramavimo rinkinys, „YouTube“ vaizdo įrašas).

Tačiau taip pat matome, kad kamieninių ląstelių galima gauti kitur ir nebūtinai jų reikia sukelti. Galite gauti hESC iš embrionų ir virkštelės kraujo, o kraujodaros kamienines ląsteles (HSC) galima sutelkti iš čiulpų su vaistų kokteiliu (pvz., Pleriksaforu ir GM-CSF) ir surinkti afereze.

Taigi tik pavyzdys, ką jūs galvojate: buvo paskelbti dokumentai apie gliukozei jautrių insulino išskiriančių ß ląstelių gamybą iš hESC, naudojant kruopščiai kontroliuojamas kultūros sąlygas (nuoroda), ir įmonės pasinaudojo šia technologija. Subduraliniai implantai, naudojantys šią sistemą, šiuo metu atliekami klinikiniuose tyrimuose. Jie gamina ß ląsteles iš hESC, kontroliuodami kultūras:

Šaltinis: 1,2

Paveikslo apačioje esantys transkripcijos faktoriai, kuriuos įklijavau iš dviejų šaltinių, rodo, kokie transkripcijos faktoriai turėtų būti aktyvūs tame etape. Galutinio produkto tapatybę galima numanyti iš derinio, kurie transkripcijos faktoriai turėtų būti aktyvūs ir kurie neturėtų būti aktyvūs. Taip pat svarbu tai suvokti valia būti ne tikslinėms ląstelėms, tačiau procesas turi būti patvirtintas siekiant užtikrinti, kad tikslinės ląstelės neviršytų priimtino diapazono, kaip nustatyta ikiklinikinio vystymosi metu.

Gamintojai taip pat turėtų patikrinti savo ląstelių grynumą, sterilumą, endotoksiną ir stiprumą. Stiprumo tyrimai tapo FDA prerogatyva, nes kiekvienas gali pagaminti ląstelę, bet kaip jie gali pasakyti, kad ji veiksminga, ar daro tai, kas parduodama? Potencijos tyrimo pavyzdys gali būti dvi kultūros, viena su gliukoze ir kita be, ar viena išskiria daugiau insulino nei kita? Jūs pasirinktumėte šį tyrimą, nes siūlomas ß ląstelių veikimo mechanizmas yra tas, kad jos reaguoja į gliukozę ir išskiria insuliną.

Dėl sterilumo jie parduoda keletą gerų rinkinių, tokių kaip „BacT“ įspėjamieji aerobiniai ir anaerobiniai bandymo buteliai, mikoplazmos testavimo rinkiniai, taip pat galite atlikti kultūros plokštes ir gramų dažymą. Produktai, kurių sterilumas nėra 100%, negali būti infuzuojami, todėl paprastai daroma išvada, kad gydytojas gali išskirtinai išleisti daugybę kitų problemų, tačiau užteršimas sustabdys ląstelių terapijos produktą.

Jūs taip pat teisus, nes ląstelių terapija, apimanti genų modifikavimo etapą, turi atsižvelgti į tokius dalykus kaip transdukcijos efektyvumas, gyvo viruso titras, su transdukcija susijusių molekulių ekspresija ir pan. Pirmiau minėtas sendoviruso rinkinys yra teisingas pasirinkimas, nes, kaip rodo, po kelių ištraukų neintegruojamas viruso titras yra nereikšmingas. Skiriant žmonėms, CAR-T erdvėje FDA reikalavo, kad tyrimai, kuriuose CAR-T buvo infuzuojami, būtų stebimi 15 metų po gydymo pacientams, siekiant ištirti viruso perduotų vektorių infuzijos poveikį. Nemanau, kad yra aiškus atsakymas, ar virusas yra problema. Tačiau jūs taip pat teisus, kad būtina patikrinti transdukuoto geno (-ų) stabilumą, ypač pernešant, laikant ir šaldant. Čia visa tai gražiai aprašyta.


Kas yra biomedicinos inžinerija?

Biomedicininė inžinerija-tai inžinerijos principų ir problemų sprendimo metodų taikymas biologijoje ir medicinoje. Tai akivaizdu visoje sveikatos priežiūros srityje, nuo diagnozės ir analizės iki gydymo ir pasveikimo, ir pateko į visuomenės sąžinę, nes daugėja implantuojamų medicinos prietaisų, tokių kaip širdies stimuliatoriai ir dirbtiniai klubai, iki futuristiškesnių technologijų, tokių kaip kamieninių ląstelių inžinerija ir 3-D biologinių organų spausdinimas.

Pati inžinerija yra novatoriška sritis, iš kurios kilo idėjos, vedančios į viską - nuo automobilių iki kosmoso, dangoraižių iki sonaro. Biomedicininės inžinerijos daugiausia dėmesio skiriama pažangai, kuri gerina žmonių sveikatą ir sveikatos priežiūrą visais lygmenimis.

Biomedicinos inžinieriai skiriasi nuo kitų inžinerijos disciplinų, turinčių įtakos žmonių sveikatai, nes biomedicinos inžinieriai savo inžinerinio projektavimo procese naudoja ir taiko intymias šiuolaikinių biologinių principų žinias. Mechanikos inžinerijos, elektrotechnikos, chemijos inžinerijos, medžiagų mokslo, chemijos, matematikos, informatikos ir inžinerijos aspektai yra integruoti į žmogaus biologiją biomedicinos inžinerijoje, siekiant pagerinti žmonių sveikatą, nesvarbu, ar tai būtų pažangi protezuota galūnė, ar laimėjimas nustatant baltymus ląstelių viduje.

Biomedicinos inžinerijoje yra daug subdisciplinų, įskaitant aktyvių ir pasyvių medicinos prietaisų, ortopedinių implantų, medicininio vaizdavimo, biomedicininių signalų apdorojimo, audinių ir kamieninių ląstelių inžinerijos bei klinikinės inžinerijos projektavimą ir kūrimą.


Ląstelių ir audinių inžinerija

Ląstelių ir audinių inžinerijos centrai, skirti fiziniams ir inžineriniams principams suprasti ir kontroliuoti ląstelių ir audinių elgesį. Ląstelių inžinerija daugiausia dėmesio skiria ląstelių lygmens reiškiniams, o audinių inžinerija ir regeneracinė medicina siekia sukurti arba stimuliuoti naujus audinius ligoms gydyti.

Dvi sritys, kuriose departamentas užėmė ypatingą lyderystę, yra ląstelių mechanobiologija, kurios tikslas-suprasti jėga pagrįstos ir biocheminės informacijos sąveiką ir konversiją gyvose sistemose, ir kamieninių ląstelių inžinerija, apimanti platformas kamieninėms ląstelėms plėsti, implantuoti ir mobilizuoti. audinių taisymui ir pakeitimui.

Fakultetas, dirbantis ląstelių ir audinių inžinerijos srityje:

Dekanas A. Richardo Newtono memorialinis profesorius, bioinžinerija
Lawrence Berkeley nacionalinės laboratorijos Aplinkos genomikos ir sistemų biologijos skyriaus vyresnioji fakulteto mokslininkė
Berklio sintetinės biologijos instituto direktorius
DOE sistemų biologijos žinių bazės generalinis direktorius / CSO
PI ir vienas iš ENIGMA SFA direktorių

„Arkin Lab“ tyrimuose daugiausia dėmesio skiriama mikroorganizmų sistemoms ir sintetinei biologijai. Jie yra teorijos, skaičiavimo ir eksperimentų, susijusių su biologinių sistemų modeliavimu molekuliniu ir populiaciniu lygmeniu, ekspertai ir sukūrė daugybę genomo masto technologijų, kurių pagalba galime greitai įvertinti neapibūdintų mikroorganizmų genominę funkciją. Laboratorijos modeliai apima deterministinę ir stochastinę homogeninių ir erdvinių sistemų analizę.

Bioinžinerijos profesorius
Mechanikos inžinerijos profesorius

Kietosios mechanikos teorija ir taikymas tradicinėms medžiagoms ir biomedžiagoms.

Mūsų darbas buvo sutelktas į naujų daugelio audinių kamieninių ląstelių senėjimo, atjauninimo ir reguliavimo paradigmų sukūrimą konservuotais morfogeniniais signalizacijos keliais. Vienas iš mūsų tikslų yra apibrėžti farmakologiją, skirtą suaugusiųjų audinių priežiūrai ir taisymui in vivo pagerinti. Mūsų vadovaujami heterochroninės parabiozės ir kraujo aferezės tyrimai parodė, kad senėjimo procesas yra grįžtamasis, keičiant kraujotakos aplinką. Mūsų pasirinktas sintetinės biologijos metodas yra orientuotas į bio-ortogoninį nekanoninį aminorūgščių žymėjimą (BONCAT) ir vėlesnį žinduolių proteomų amžiaus nustatytų ir ligų sukeltų pokyčių nustatymą in vivo. Mūsų vaistų tiekimo registro medicinos projektuose pagrindinis dėmesys skiriamas CRISPR/Cas9 pagrindu veikiančioms terapijoms, siekiant veiksmingesnio ir saugesnio genų redagavimo.

Rezidencijos profesorius, Bioinžinerijos katedra
UCSF bioinžinerijos ir terapijos mokslų profesorius ir pirmininkas

Dr. Desai laboratorija daugiausia dėmesio skiria biomedicininių mikro ir nanotechnologijų terapiniam pristatymui srityje. Profesoriaus Desai tyrimai apima kelias disciplinas, įskaitant medžiagų inžineriją, ląstelių biologiją, audinių inžineriją ir vaistų pristatymą.

Purnendu Chatterjee Biotechnologijos inžinerinių sistemų katedra
Fakulteto mokslininkas, Lawrence Berkeley nacionalinė laboratorija

„Fletcher Lab“ kuria diagnostikos technologijas ir tiria mechaninį membranos ir citoskeleto organizacijos reguliavimą, atsižvelgiant į ląstelių judrumą, signalizavimą ir šeimininko ir patogeno sąveiką. Mes specializuojamės optinės mikroskopijos, priverstinės mikroskopijos ir mikroskysčių technologijų kūrime, kad suprastume pagrindinius organizacinius principus per atkūrimą in vitro ir gyvų ląstelių eksperimentus. Naujausias darbas apima šakoto aktino tinklo mazgo mechaninės biochemijos tyrimą su jėgos mikroskopija, membranos deformacijos tyrimą, tiriant baltymus ir oligomerizaciją su modelinėmis membranomis, ir atkurti veleno mastelį kapsuliuotuose citoplazminiuose ekstraktuose. Ilgalaikis mūsų darbo tikslas yra suprasti ir panaudoti erdvinę organizaciją gydant vėžį ir infekcines ligas.

Janas Fandrianto Bioinžinerijos profesorius
Medžiagų mokslų ir inžinerijos profesorius

„Healy Lab“ tyrimai pabrėžia ryšį tarp medžiagų ir ląstelių ar audinių, su kuriais jie liečiasi. Tyrimo programa orientuota į biologiškai įkvėptų medžiagų, aktyviai nukreipiančių žinduolių ląstelių likimą, kūrimą ir sintezę bei palengvinanti pažeistų audinių ir organų regeneraciją. Pagrindiniai jo laboratorijos atradimai daugiausia susiję su ląstelių likimo ir audinių susidarymo kontrole, suderinus su medžiagomis, kurios yra suderinamos tiek dėl jų biologinio turinio, tiek dėl mechaninių savybių. Profesorius Healy taip pat turi didelę patirtį dirbant su žmogaus kamieninių ląstelių technologijomis, mikrofiziologinėmis sistemomis, vaistų tiekimo sistemomis ir naujais biokonjugatais.

Docentas, bioinžinerija

Bioinžinerijos docentas

„Hsu Lab“ siekia suprasti ir manipuliuoti genetinėmis grandinėmis, kurios kontroliuoja smegenų ir imuninių ląstelių funkciją, kad pagerintų žmonių sveikatą. Mes tyrinėjame turtingą biologinę gamtos įvairovę, kad sukurtume naujas molekulines technologijas, sutrikdytume sudėtingus ląstelių procesus ir sukurtume naujos kartos genų ir ląstelių terapiją. Norėdami tai padaryti, mūsų grupė remiasi eksperimentinių ir skaičiavimo metodų palete, įskaitant CRISPR-Cas sistemas, vienos ląstelės genomiką, inžinerinius virusus, smegenų organoidus ir sujungtus genetinius ekranus.

Dabartiniai interesai apima 1) naujų postmitozinio genomo redagavimo metodų išradimą, 2) terapinių makromolekulių pristatymo inžinerinių transporto priemonių kūrimą ir 3) bibliotekos ekranų ir smegenų organoidų panaudojimą, kad būtų galima tirti žmogaus neuromokslą.

Kancleriai, bioinžinerijos profesorius
Kancleriai, mechanikos inžinerijos profesorius

Stuburo protezų žievės ir trabekulinio kaulo projektavimo biomechanika kaulų lūžių ir osteoporozės kaulų inžinerija.

Kanclerio profesorius ir bioinžinerijos pirmininkas
Chemijos ir biomolekulinės inžinerijos profesorius
Rezidencijos, bioinžinerijos ir terapijos mokslų profesorius, UCSF
LBNL biologinių sistemų ir inžinerijos fakulteto mokslininkas

Mūsų laboratorija siekia suprasti ir sukurti mechaninį ir kitą biofizinį ryšį tarp ląstelių ir medžiagų. Be pagrindinių šios problemos aspektų tyrimo naudojant įvairias mikro/nanoskalės technologijas, mums ypač įdomu sužinoti, kaip šis signalizavimas reguliuoja naviko ir kamieninių ląstelių biologiją centrinėje nervų sistemoje. Naujausios kryptys apėmė: (1) naujų audinių imitacinių kultūrų platformų, skirtų biofiziniams tyrimams, molekulinei analizei ir atrankai, kūrimą; 2) mechanobiologinių signalizacijos sistemų, kaip smegenų auglių invazijos ribojimo ir kamieninių ląstelių neurogenezės gerinimo tikslų, tyrimą ir (3) kūrimą. naujos biomedžiagos, įkvėptos korinių struktūrinių tinklų.

1941 m. apdovanotas bioinžinerijos ir medžiagų mokslo bei inžinerijos profesoriumi

Mano laboratorija yra suinteresuota suprasti biologinių medžiagų struktūros ir savybių ryšius ir naudoti šią informaciją kuriant biologiškai įkvėptas medžiagas, skirtas naudoti sveikatos priežiūros srityje. Pagrindiniai tyrimai apima vienos molekulės ir masinius biofizinius biologinių sąsajų ir masinių mechaninių cheminių reiškinių tyrimus biologinėse medžiagose, o mūsų taikomi tyrimai - naujų biomedžiagų, skirtų audinių taisymui ir regeneracijai, projektavimas ir sintezė.

Bioinžinerijos profesorius
Mechanikos inžinerijos profesorius
Fakulteto mokslininkas, Lawrence Berkeley National Lab

Mūsų tyrimų programa yra skirta suprasti ląstelių mechanobiologiją ir molekulinius mechanizmus, susijusius su žmogaus ligomis, ypač širdies ir kraujagyslių sistemos sutrikimais, smegenų ir neurologiniais sutrikimais bei vėžiu.

Mūsų laboratorija yra orientuota į naujų medžiagų, skirtų vaistų pristatymui ir molekuliniam vaizdavimui, kūrimą.

Mechanikos inžinerijos profesorius
Lawrence Talbot, mechanikos inžinerijos profesorius

Medicininės klasės itin didelės molekulinės masės polietileno struktūrinės raidos apibūdinimas dėl sterilizacijos: pasekmės viso sąnario pakeitimui.

Profesorius emeritas, bioinžinerija
UCSF medicinos profesorius emeritas

Tyrime daugiausia dėmesio skiriama rankų ir rankų biomechanikai ir darbo vietų įrankių bei užduočių projektavimui, siekiant pagerinti našumą ir darbo kokybę, kartu užkertant kelią viršutinių galūnių nuovargiui ir sužalojimams. Laboratorija ištyrė planšetinių kompiuterių, gestų sąsajų, klaviatūrų, pelių, pipetų, jutiklinių ekranų, odontologinių įrankių, statybinių grąžtų, kėdžių ir žemės ūkio įrankių dizainą. Finansuoja daugiausia NIH ir CDC, bet taip pat „Hewlett-Packard“, „Microsoft“, BART, „Logitech“ ir „Herman-Miller“.

Bioinžinerijos profesorius emeritas
Mechanikos inžinerijos magistrantūros profesorius

Bioelektroniniai prietaisai, biotransportas, medicininis vaizdavimas, elektrinės varžos tomografija.

Profesorius, chemijos ir#038 biomolekulinė inžinerija, bioinžinerija ir molekulinė & ląstelių biologija
Berklio kamieninių ląstelių centro direktorius


Regeneracinė biologija ir audinių inžinerija

Organų apsigimimai, pažeidimai ir nepakankamumas yra dažniausios žmonių sergamumo ir mirtingumo priežastys. Apskaičiuota, kad kasmet daugiau nei 35 000 kūdikių gims su organų apsigimimais, 100 000 žmonių bus amputuotos galūnės, 5 000 žmonių, laukiančių organų, mirs negavus transplantacijos, o 1 milijonas žmonių mirs nuo organų ligų. Regeneracinės biologijos ir audinių inžinerijos temos (RBTE) tikslas yra sukurti žinių bazę ir technologijas, reikalingas žmogaus audiniams ir organams pakeisti arba regeneruoti ir taip išspręsti šias rimtas sveikatos problemas bei prisidėti prie gyvenimo kokybės ir gerovės gerinimo.

Siekdami šio tikslo, RBTE mokslininkai siekia trijų susijusių tyrimų būdų. Pirma, RBTE mokslininkai naudoja kamienines ląsteles ir vystymosi metodus, kad ištirtų, kaip organai formuojasi ir atsinaujina. Antra, RBTE mokslininkai naudojasi žiniomis, įgytomis iš kamieninių ląstelių ir vystymosi tyrimų, siekiant atkurti audinius ir organus serijiniuose modeliniuose ir nemodeliniuose organizmuose. Trečia, RBTE mokslininkai savo tyrimus verčia iš modelių ir nemodelių organizmų į žmones. Šie trys tyrimo būdai išsamiau aptariami toliau. Taikydami šį daugialypį požiūrį, RBTE mokslininkai žengia didelius žingsnius kurdami regeneracines technologijas, kurios turės teigiamos įtakos daugelio žmonių, kenčiančių nuo organų apsigimimų, pažeidimų ir nepakankamumo, gyvenimui.

Kamieninės ląstelės ir vystymosi biologija: Ląstelinių ir vystymosi procesų, kuriais grindžiamas organų ir audinių augimas, supratimas yra labai svarbus ir būtinas organų ir audinių regeneracijos pagrindas. Organų regeneracija yra sudėtingas procesas, reikalaujantis tuo pačiu metu pakeisti kaulus, skeleto raumenis ir sausgysles, taip pat iš naujo augti nervus, kraujagysles ir odą. Todėl prieš organų regeneraciją reikia suprasti visų šių įvykių vystymosi pagrindą. Siekdami šio tikslo, RBTE mokslininkai naudoja įvairius tyrimo metodus, kurie suskirstyti į dvi plačias kategorijas: kamieninių ląstelių tyrimus ir vystymosi biologiją. Kalbant apie kamieninių ląstelių tyrimus, RBTE mokslininkai tiria ląstelių likimo nustatymą. Šiame tyrime RBTE mokslininkai tiria signalus, kurie nediferencijuotą ląstelę paverčia specifine audiniams ar organams. Kalbant apie vystymosi biologiją, RBTE mokslininkai tiria ląstelių ir molekulinius procesus, kuriais grindžiamas normalus organų ir audinių vystymasis modeliniuose ir nemodeliniuose organizmuose.

Regeneracija gyvūnų modeliuose: RBTE mokslininkai taiko kamieninių ląstelių ir vystymosi biologijos tyrimų metu įgytas žinias daugelio modelinių ir nemodelinių gyvūnų audiniams ir organams regeneruoti. Tiriami gyvūnai yra varlės, pelės, žiurkės, triušiai, kiaulės ir oposumai. Šis tyrimas yra esminis žmogaus organų ir audinių regeneracijos pagrindas. Konkrečiai, gyvūnų modelių tyrimai gali suteikti reikšmingos informacijos apie ląstelių ir molekulinius procesus, kuriais grindžiamas organų ir audinių regeneravimas. RBTE mokslininkai taiko du pagrindinius audinių regeneravimo būdus gyvūnų modeliuose. Pirmajame RBTE mokslininkai lygina ląstelinius ir molekulinius procesus, veikiančius audiniuose ir organuose, kurie gali atsinaujinti, su procesais, veikiančiais audiniuose ir organuose, kurie negali atsinaujinti. Tokiu būdu RBTE mokslininkai gali nustatyti specifinius procesus, kuriais grindžiamas organų ir audinių regeneravimas. Antruoju metodu RBTE mokslininkai taiko bioinžinerijos ir medžiagų mokslo principus audinių ir organų regeneracijai. Taikydami šį naujovišką metodą, RBTE mokslininkai labai sėkmingai naudoja inžinerinius pastolius, audinius, bioaktyvias molekules ir ląsteles, kad pagerintų organų ir audinių regeneraciją.

Transliaciniai žmogaus regeneracijos tyrimai: Galutinis regeneracinės biologijos tikslas yra sėkmingai atkurti žmogaus audinius ir organus. Siekdami šio tikslo, RBTE mokslininkai užmezgė aktyvų mokslinių tyrimų bendradarbiavimą su gydytojais keliose institucijose, įskaitant Mayo kliniką, Ilinojaus universitetą Čikagoje, Šiaurės vakarų universitetą ir Carle ligoninę. Vykdydami šį bendradarbiavimą, RBTE mokslininkai iš kamieninių ląstelių, vystymosi ir regeneracinių tyrimų su modeliniais ir nemodeliniais gyvūnais įgytas žinias paverčia žmogaus organų ir audinių regeneracija. Šios vertimo pastangos apima biologiškai skaidžių pastolių naudojimą kartu su augimo faktoriais ir suaugusiųjų kamieninėmis ląstelėmis, kaip didelių kaulų ir (arba) kremzlių traumų ar ligų gydymo būdus. Pagrindinės sritys apima kaukolės, stuburo, ilgų kaulų ir skaitmenų kaulų bei veido, trachėjos ir sąnarių kremzlių regeneraciją. Taikyta metodika galėtų sumažinti ar net visiškai panaikinti kaulų paėmimo ir persodinimo procedūrų poreikį, sumažinant pacientų operacijų skaičių.


Kaip sukurti inžinieriaus biologiją

Kadangi biologija yra evoliucijos, o ne žmogaus vystymosi rezultatas, inžinerinių principų įtraukimas į ją garantuojamas. Argumentas už „Grove“ klaidą, kurį pirmą kartą nurodė vaistų pramonės stebėtojas Derekas Lowe'as, kritikuodamas „Intel“ generalinį direktorių Andy Grove'ą 2007 m. Po to, kai jam buvo diagnozuotas prostatos vėžys, Grove'as buvo nusivylęs tuo, ką jis apibūdino kaip „realybės trūkumą“. produkcijos ir rdquo farmacijos srityje, ypač lyginant su Moore'o ir rsquos įstatymo pastangomis jo paties pramonėje.

Lowe teigė, kad tai buvo naivi ir negaliojanti Silicio slėnio pašaliečių kritika, nes „ldquomedical“ tyrimai skiriasi [ir sunkesni] nei puslaidininkių tyrimai, „rdquo & mdashand & ldquothat & rsquos“ iš dalies todėl, kad mes jų nesukūrėme. Daiktų [pavyzdžiui, puslaidininkių] kūrimas nuo pat pradžių yra tikras pranašumas, kai reikia juos suprasti, bet mes pradėjome tyrinėti gyvenimą po kelių milijardų metų pradžios. Taigi pati inžinerinės biologijos idėja pagal prigimtį yra pasmerkta Jis toliau rašė, kad nepavyks, atsižvelgiant į tai, kad &bdquobilijonus metų evoliucinis gudravimas atvedė prie kažko tokio sudėtingo ir tokio keisto, kad aukščiausia žmogaus sukurta technologija gali atrodyti kaip kažkas, sukurta naudojant lazdas.

Tačiau per pastaruosius kelerius metus matėme neįtikėtiną pažangą biologijos ir technologijų pasaulyje – nuo ​​AI tiksliau nei žmonės diagnozuojančio vėžį iki genų redagavimo naudojant CRISPR. Taigi ar vis dar tiesa, kad idėja pritaikyti inžinerinę mąstyseną prie bio yra dar vienas žvaigždžių akių technologų sprendimų atvejis?

Visiškai tiesa, kad mes labai daug tyrinėjame, kai atrandame biologiją, vis dar atskleidžiame evoliucijos & ldquotechnical skolą & rdquo. Kai tik manoma, kad supranta biologiją, atsiranda kitas svogūno sluoksnis. Taip pat pavojingai lengva sulaužyti biologiją, o tai turi daug didesnių pasekmių nei pažeistas kodas ir vieno taško mutacijos gali sukelti ligas, o ypač maži tam tikrų cheminių medžiagų kiekiai gali sukelti pražūtingą šalutinį poveikį. Daugelis medicinos ir ypač vaistų dizaino nesėkmių kyla dėl biologijos sudėtingumo ir nenuspėjamumo.

Tačiau tai, kad mes vis dar atrandame biologiją, nereiškia, kad galime sukurti dizainą. Mes galime sukurti įrankius, kuriuos naudojame biologijai valdyti.

Tiesą sakant, mes sukūrėme ir projektuojame įrankius, skirtus biologijai kontroliuoti, papildyti, pakeisti ar patobulinti, kol egzistuoja pati žmonija, ir nesvarbu, ar ji sutramdo džiungles, kad sukurtų gyvenamus kaimus, stabdančius ir užkrėstus infekcijomis, todėl pažangūs protezai žmonėms, praradusiems galūnes gaminant sintetinius narkotikus. pakeisti sugedusias dalis arba dabar, net sukurti funkcionalumą, kurio gamta niekada neturėjo. Mes galime tai padaryti, nes empiriškai sužinojome tų medžiagų savybes, tada kartojome, suprojektavome ir su jomis statėme naujas konstrukcijas. Nėra jokios priežasties, kodėl ir toliau negalėtume to daryti dėl savo vaistų ir kūnų.

Vienintelis klausimas, kaip mes ten patekome. Jeigu atradimas yra sistemingas idėjų ir koncepcijų tyrimas, siekiant suprasti mus supantį pasaulį dizainas yra inžinerijos ir mdash pagrindas, kur mokslinėje arenoje išmoktos sąvokos naudojamos kuriant viską aplink mus kartojamu, mažiau laiko reikalaujančiu ir labiau nuspėjamu būdu.

Taip, kaip dabar yra, mes dizainas tiltai, bet mes atrasti narkotikai. Tai ne be išlaidų: milijardų dolerių tiltai, kuriuos supratome projektuoti per bandymus ir klaidas, praktiką ir gerai išbandytus inžinerijos principus, retai nepavyksta, o kai milijardų dolerių vertės narkotikų gedimai yra įprasti, jau nekalbant apie brangias išlaidas. Tačiau kurdami dizainą, mes galime labai sistemingai planuoti ir siekti pažangos pagal gaires ir kelyje padaryti papildomų inovacijų. Pasiskolinę iš inžinerijos, čia pateikiami principai, leidžiantys mums įveikti vadinamąją Grove klaidą ir panaudoti biologiją.

1 PRINCIPAS: LEGO PANAŠI KONSTRUKCINIAI KALULAI

Biologija turi hierarchinį pobūdį: aminorūgštys yra pagamintos iš atomų, baltymų iš aminorūgščių ir t. t., kartu sudarydamos ląsteles, kurios gamina audinį, kuris veda į organus, o tai veda į organizmus, o tada nišas, tada ištisas ekosistemas. Evoliucija yra pagrindinis algoritmas. Gebėjimas greičiau palengvinti evoliuciją, kad geriau reaguotų į selektyvų spaudimą (meta-evoliucija), sukūrė mechanizmus, kurie sustiprina šį moduliškumą. Yra žinoma daug hierarchijos, taigi, jei norite kurti ląstelių mašinas, dalys yra baltymai, jei norite kurti audinius, dalys yra ląstelės ir toliau aukštesnėse skalėse.

Tai nėra tik hipotezė. Jau yra daug sėkmingų to pavyzdžių, pradedant miozino (baltymų, einančių ląstelių mikrotubulų greitkeliais transportavimui) inžinerija ir baigiant CAR-T terapija, kai nustatant du pagrindinius baltymų modulius (šiuo atveju-„& ldquoLegos & rdquo“) ir juos sujungus gali suprojektuoti pacientų ir rsquo imunines ląsteles ir taip gydyti jų vėžį. Mokslininkai ir verslininkai naudojo šį pagrindinį biologijos aspektą programuoti ląsteles, iš esmės kurdami iš visų ląstelėje esančių baltymų ribotą rinkinį, kuris gerai dera tarpusavyje, rdquo ir likusioje ląstelėje, kad galėtų juos naudoti kaip „Lego“ rinkinį genetinėms grandinėms kurti.

Kai identifikuosime „Lego“ biologijoje ir jų savybes, galėsime juos sukurti ir net sumaišyti bei suderinti, kad sukurtume naujas funkcijas.

2 PRINCIPAS: PASIKARTOJAMUMAS IR ATKRITIMAS

Neatkartojamumas yra didelė šiuolaikinės biologijos krizė, ypač kai kalbama apie straipsnių leidimą ir nesugebėjimą pakartoti rezultatų. Tačiau atkuriamumas yra esminis inžineriniu požiūriu pagrįsto požiūrio į biologiją požymis, pagal apibrėžimą neįmanoma sukurti proceso be atkuriamumo.

Viena iš pagrindinių biologijos neatsinaujinimo priežasčių yra išankstinė pramoninė revoliucija, užsakyta (pažodžiui, rankų darbo) biologinių eksperimentų pobūdis ir šiandien. Dėl to dauguma eksperimentų yra labiau menas nei mokslas. Tačiau šiuolaikinės technologijos leidžia daug lengviau atkurti biologijos procesą, pradedant nuo reagentų nuoseklumo problemų iki pakartotinio paleidimo ir derinimo problemų. Robotika yra vienas iš akivaizdžiausių būdų, kai tikslūs judesiai dabar atliekami mašinos tikslumu ir valdomi programinės įrangos.

Mašininis mokymasis taip pat vaidina didžiulį vaidmenį. Ligos biologinių žymenų (cheminių medžiagų, kurias galime išmatuoti ir tada nukreipti) nustatymą šiuo metu lemia atradimas pagal specialų, vienkartinį procesą, ir, pavyzdžiui, PSA atradimas prostatos vėžiui, nesiūlo kiaušidžių vėžio biomarkerio. Tačiau mašininio mokymosi įtraukimas į procesą gali paversti šį rankų darbą surinkimo linijos gamyba. Be to, mes mokome mašiną žvejoti, kad būtų galima ne tik atkurti, bet ir laikui bėgant pagerinti tikslumą, nes gauname papildomų neapdorotų duomenų ir nustatome sudėtingus modelius, kurių žmonės negali matyti.

Daugelis įmonių tai jau daro. Naujausias „Apple“ laikrodis buvo paskelbtas „iPhone“ akimirka, kai plataus vartojimo nešiojamieji daiktai gali virsti medicininiais įrenginiais. Verslininkai, taikantys gilų mokymąsi medicinoje, gali naudoti AI / ML ir pažymėtus duomenis iš bendrųjų Apple laikrodžių impulsų duomenų srautų, kad tiksliai ir tiksliai identifikuotų prieširdžių virpėjimą. . Bet ypač tai, kur biologija tampa inžinerija, o gebėjimas atlikti tą patį procesą, kurį jie naudoja širdies ligoms aptikti ir daugeliui pacientų prognozuoti ligą kitas taip pat (hipertenzija, miego apnėja ir 2 tipo diabetas).

Tokios mašininio mokymosi varomos įmonės ir mdash, kurios taip pat gali anksti aptikti vėžį arba nustatyti su ilgaamžiškumu susijusius biologinius žymenis, ir visos sukūrė savotišką „ldquofactory“ liniją. Tai dar vienas būdas, kuriuo Grove klaidingumas yra klaidingas. Didžiulė pažanga kompiuterių lustų (Moore & rsquos Law), saugojimo (& ldquoKryderio dėsnis ir rdquo) ir genomikos bei mdashall srityse eksponentinis sumažėja išlaidos, 1000 kartų per dešimtmetį, o pajamos tik nuo 30% pagerėjimo per metus. Biologijoje geresnis atkuriamumas, laipsniškas tobulėjimas laikui bėgant ir didesnis tikslumas prisideda prie dar didesnių pasiekimų, nes net ir maža dalis yra labai toli.

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 pradėti? 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 kaip to do it, given where we are in engineering biology today.

Išsakytos autoriaus (-ių) nuomonės ir nebūtinai „Scientific American“.

APIE AUTORĮ (-IUS)

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 in vivo 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 in vitro human umbilical vascular endothelial cell (HUVEC) assay and in vivo 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 ir kt. (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 in vitro.

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.

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

Svarbi pastaba: Visi įnašai į šią tyrimų temą turi patekti į skyrių ir žurnalą, kuriam jie pateikiami, kaip apibrėžta jų misijos pareiškimuose. „Frontiers“ pasilieka teisę nukreipti nepatenkamą rankraštį į tinkamesnį skyrių ar žurnalą bet kuriame tarpusavio peržiūros etape.


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 in vitro. 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). The in vitro 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 in vitro and live cell research: use synthetic minimal cells to investigate multicomponent gene pathways, combining the advantages of in vitro 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 in vitro or live cell experiments. In vitro 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 in vitro 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)


Žiūrėti video įrašą: Į grabą geriau nusinešiu skolas Orijus Gasanovas. Laikykitės ten pokalbiai (Sausis 2023).