Silkevejens drejning mod bioteknologi

Silkevejens drejning mod bioteknologi

Fiorenzo Omenetto, der holder en silkefibroinfilm, der illustrerer forskellige forarbejdningsteknikker. Foto af Luke Groskin

Der er et glasskab af kuriositeter, der står i hjørnet af et vinduesrum i silketøj ved Tufts University i Boston. Blandt dets nyheder: et fjernstyret fly; halvdelen af ​​et hårdkogt æg konserveret i skinnende, glimmerlignende materiale; et par kopper, der minder om Styrofoam; og flere miniaturekranier.



Fiorenzo Omenetto, professor i biomedicinsk ingeniørvidenskab og fysik og meddirektør for laboratoriet, rækker ind i sagen, fjerner et af kranierne på størrelse med en kaffekop. 'Dette er faktisk 'mini Yorick',' joker Omenetto (hans elever kalder ham 'Fio'), med henvisning til karakteren opgravet i Shakespeares Hamlet .

Så uensartet som dette lille kranium og dets kuriositeter kan virke, deler de en rød tråd: De var alle sammen, i det mindste delvist, af et protein, der findes i silke, det senede materiale produceret af silkeormølens larve, Bombyx mori .

'Kuriositeternes kabinet' på silkelaben på Tufts University. Foto af Julie Leibach

I nogle tilfælde er objekterne mere kitschede end funktionelle – sideprojekter, der afspejler en Willy Wonka-agtig kreativitet, der trives i Omenettos laboratorium. Her har han og omkring et dusin studerende undersøgt, hvordan et silkeprotein kaldet fibroin kan forarbejdes og omdannes til biologisk nedbrydelige materialer og enheder med en række potentielle anvendelser inden for medicin og videre, fra diagnostisk billeddannelse, til opbevaring og levering af lægemidler til sensorer til overvågning af fødevarekvalitet .

'Du har en idé, du er fri til at forfølge den,' siger Mark Brenckle, en ph.d. studerende i Omenettos laboratorium. 'Men hver gang du ikke har en idé, så gå bare ind på Fios kontor, og du vil gå ud fem minutter senere med 10.'

En gammel laboratorie-notesbog fra Omenetto, mærket 'Stuff October 2005' - det år, han sluttede sig til Tufts - vidner om dette faktum. Spækket med noter, 'den har en masse ideer, der virkede lidt skøre på det tidspunkt, men som bestemt endte med at blive til virkelighed,' siger Omenetto, hvis kontor er en lille æske med en plakat på døren, hvor der står: 'Jeg er Italiener og jeg kan ikke bevare roen.'

Arbejdet, der spinner ud af laboratoriet, er forankret i banebrydende forskning udført af kollega Tufts biomedicinsk ingeniørprofessor David Kaplan. For næsten tre årtier siden begyndte Kaplan at studere egenskaberne og funktionerne af silkefibroin som en naturligt forekommende polymer. Hans team undersøger nu, hvordan proteinet kan bruges i vævsteknologi og regenerativ medicin, blandt andre medicinske applikationer. [For mere om Kaplans arbejde, se '.']

Efter et årti med forskning, ofte i samarbejde med Kaplans gruppe, ser Omenetto silkefibroin som 'en helt fantastisk bro' mellem biologi og teknologi i fremstødet mod forbedret personlig medicin. 'Det er ikke bare et andet materiale,' siger han. 'Det er en samling af funktioner.'

Relateret video

De medicinske vidundere af ormespyt

Silke blev først vævet ind i et tekstil for omkring 5.000 år siden i Kina. Siden da, med fremkomsten af ​​masseproduktion, er materialet blevet allestedsnærværende, 'uanset om det er i tøj, slips, lagner og pudebetræk og så videre,' siger Kaplan. 'Det er meget holdbart som et proteinstof, og det er virkelig derfor, der er så stor en produktion rundt om i verden af ​​dette protein.' At skaffe silkeormskokoner til forskning er derfor relativt nemt og billigt, siger han. Tufts har brugt kokoner fra Japan, Kina, Thailand og Indien samt Sydamerika. [Til en kokondissektionsaktivitet, .]

I hånden er de hvidlige, ægformede kapsler små og bløde, som filt. I larven starter silke imidlertid som en flydende blanding af proteiner, salt og vand, der er lagret i et organ kaldet silkekirtlen. Når silkeormen spinder sin kokon, forvandles det sammenkogt - ekstruderet gennem larvens mund - til en lang, tynd fiber, der er 'holdbar mod alle former for miljøfornærmelser,' siger Kaplan.

Silke kokoner. Foto af Luke Groskin

For at behandle silke til forskning skal forskerne omdanne fibrene tilbage til en flydende tilstand, renset til kun at indeholde fibroinproteinet. Processen er relativt enkel og involverer: skæring af kokoner i små stykker; kogning af dem i en svag alkalisk opløsning; skylning og tørring af gossamer-fiberen, der løsner sig (fibroin); opløsning af det ved anvendelse af et saltopløsningsmiddel; og derefter køre en dialyse i vand for til sidst at skabe en vandig fibroinopløsning. Fra start til slut er metoden relativt godartet og genererer meget lidt affald.

Fra det udgangspunkt for vandig opløsning bliver silkefibroin så 'meget tuneable', som Kaplan udtrykker det. Med andre ord kan det forarbejdes til flere former - fra svampede stilladser til at understøtte cellevækst, til klæbende geler til at holde beskadiget væv sammen, til hærdede strukturer til at forbinde brækket knogle. Forarbejdning kan udføres ved blot at bruge vand ved relativt lave temperaturer, hvilket ikke kun er mere miljøvenligt, men gør det muligt at blande proteinet med andre biologiske komponenter, såsom celler, der kan forringes under forhold, der kræver hårdere kemikalier eller ekstreme temperaturer.

Relateret uddannelsesressource

Dissekere en silkeormskokon

Når det kommer til implantation i kroppen, har silkefibroin flere attraktive egenskaber. For eksempel er det biokompatibelt, hvilket betyder, at det kan indsættes i levende væv uden at starte en inflammatorisk reaktion eller immunsystemangreb. (I modsætning hertil er polyestere - en anden populær klasse af biopolymerer, der anvendes i medicinsk udstyr - mere tilbøjelige til inflammatorisk respons, ifølge Kaplan.) Faktisk har silkesuturer været FDA-godkendt i årtier (og er blevet brugt medicinsk i århundreder), selvom 'Der var stort set ingen andre medicinske anordninger, der blev lavet af silke, før vi startede for omkring 15 år siden,' siger Kaplan.

Silkefibroin er også biologisk nedbrydeligt og bioresorberbart - det vil opløses, når det placeres i kroppen inden for en foreskreven mængde tid, i størrelsesordenen timer til lige år, baseret på den anvendte behandlingsmetode.

'Jeg har aldrig set eller fundet eller arbejdet med noget andet materiale fra naturen, der tilbyder den alsidighed og række af egenskaber, som du kan opnå med denne bemærkelsesværdige familie af proteiner,' siger Kaplan.

Og da Omenetto sluttede sig til holdet hos Tufts, opdagede forskerne endnu en dyd: Silkes anvendelighed som optisk materiale.

Omenetto har længe haft en fascination med lys. Som barn, der voksede op i Varese, Italien, ville hans analytiske kemikerfar invitere ham til at se eksperimenter, der involverede flammespektroskopi, som bruger en flammes lys til at bestemme mængden af ​​kemisk grundstof i et stof. 'Kontrolleret lys og kontrolleret ild - det bliver ikke køligere end det,' siger Omenetto, 48. Ideen om at udnytte lysets æteriske natur fascinerede ham. 'Jeg troede, det var en slags sort magi,' siger han.

Efter at have afsluttet sin doktorgrad i anvendt fysik (han har også en mastergrad i elektroteknik), arbejdede Omenetto inden for optik på Lost Alamos National Laboratory, hvor han undersøgte, hvordan højintensitetslys fra lasere forplanter sig gennem materialer som optiske fibre (en gren kaldet ikke-lineær optik).

Da han sluttede sig til det biomedicinske ingeniørpersonale hos Tufts, var Kaplan imidlertid ikke sikker på, hvordan Omenettos ekspertise ville passe ind. 'Jeg vidste, at han var meget dynamisk, meget klog, [havde] gode ideer,' siger Kaplan, 'men præcis hvor hans niche ville være i BME [biomedicinsk teknik] var noget, der skulle bestemmes.'

Et tilfældigt møde på gangen førte til en afsløring. Kaplans laboratorium havde udviklet vævskonstruerede hornhindeimplantater, som indebar dyrkning af hornhindeceller på et stillads af klare og ultratynde, silkebaserede film (forskningen er i gang). Teknikken krævede at stable filmene oven på hinanden - men for at næringsstoffer og ilt kunne filtrere gennem stablerne for at nå de voksende celler, krævede lagene omhyggelig perforering.

Det gik op for Kaplan, at '[Omenetto] havde disse smarte lasere, der kunne gøre alle mulige mærkelige ting med materialer,' husker han. Da han løb ind i sin kollega i hallen, bad Kaplan Omenetto om at 'prikke nogle huller' i stilladset.

Omenetto forpligtede, og var forbløffet over, hvad han opdagede. Da han lyste laseren på den tynde silkefilm, gik den lige igennem i stedet for at sprede sig ud over overfladen, som den ville have gjort med et mere groft materiale. Omenetto fandt sig selv i tankerne, 'Hey, det her må være et meget godt optisk materiale.'

Faktisk er silke transparent for lys af alle synlige bølgelængder, på niveau med de fleste gennemsigtige plastik eller glas. For det andet er det ekstremt glat, med et rimeligt brydningsindeks, der kan sammenlignes med glas. Hvad mere er, kan silke behandles på mikro- og nanoskala for at indeholde bittesmå geometriske mønstre designet til at interagere med lys.

Åbenbaringen satte gang i Omenettos forskning. 'Vi begyndte at tænke, at hvis vi kunne blande biologiske ting i, ville det give meget usædvanlige optiske enheder,' siger han.

Et silkebaseret mikroprisme-array, dopet med doxorubicin. Prismets dimension er cirka 100 mikrometer. Foto af Fiorenzo Omenetto

For et par år siden udviklede Omenettos laboratorium et glimrende eksempel på en silkebaseret optisk enhed: et ark af, hvad der i det væsentlige er små spejle - også kaldet mikroprisme-arrays - designet til at være fuldt implanterbare og resorberbare i kroppen. Spejlene er udelukkende lavet af silkefibroin, der er støbt i en form baseret på kommercielt reflektormateriale. Når lys skinner på dem, reflekterer geometriske mønstre i mikroskala det, ligesom et stopskilt.

Indrapportering Proceedings of the National Academy of Sciences ( PNAS ) i 2012 demonstrerede Omenettos team adskillige potentielle biomedicinske anvendelser for disse mikroprisme-arrays. I et in vitro-eksperiment brugte de imiteret væv (kaldet fantomer) til at demonstrere, hvordan enheden kunne forbedre vævsbilleddannelse. Som et teoretisk eksempel er ideen, at hvis spejlene blev implanteret i kroppen under en tumor, og nær-infrarødt lys skinnede på området, ville de reflektere lyset på en måde, der skabte den nødvendige kontrast til at måle vækstens størrelse.

I et andet sæt eksperimenter indlæste eller 'dopet' forskerne en silkefibroinopløsning med et kræftbekæmpende lægemiddel kaldet doxorubicin og støbte det derefter til spejle. Da de udsatte prismerne for enzymer in vitro, blev spejlene nedbrudt - og lyset, som de reflekterede, faldt. Ved at overvåge ændringen i lysreflektivitet fandt de ud af, at de kunne vurdere hastigheden af ​​lægemiddelfrigivelse.

Selvom spejlene er et proof-of-concept, er deres potentielle anvendelser stadig værd at overveje, ifølge Tiger Tao, hovedforfatter på PNAS papir og en tidligere post-doc og forsker i Omenettos laboratorium. Hvis nogen lider af en lokaliseret tumor, for eksempel, er det afgørende at kunne administrere målrettet terapi og overvåge frigivelsen af ​​lægemidler, fordi 'kræftdræbende lægemidler, de er meget grimme,' siger Tao. 'Du skal sørge for, at stoffet frigives i en passende hastighed, så det for det meste dræber tumorerne i stedet for omgivende godt væv.'

Ydermere, i modsætning til mange lægemidler, der er tilgængelige i dag, og som skal nedkøles, er silke bemærkelsesværdigt stabilt ved stuetemperatur, selv når det er dopet med lægemidler. 'Alle disse aspekter tilsammen gør denne enkle [spejl] enhed til en mere funktionel [en],' siger Tao.

Som en del af deres bestræbelser på at tilføje teknologisk funktion til silkefibroin, har Omenetto og hans team for nylig udforsket silkes evne til at interagere med elektronik.

'Der er en ny idé om at tage biomaterialer og polymerer, der typisk bruges i én sammenhæng, og derefter bibringe dem en slags interessant elektronisk funktionalitet,' siger Christopher Bettinger, assisterende professor i materialevidenskab og biomedicinsk teknik ved Carnegie Mellon University, som er bekendt med arbejdet på Tufts (han var også medforfatter til en papir med Kaplan).

I tilfælde af en silkebaseret elektronisk enhed er nøglen, at 'de elektroniske materialer, ligesom silken, skal være biokompatible og bioresorberbare,' siger John A. Rogers, professor i materialevidenskab og ingeniørvidenskab ved University of Illinois hos Urbana-Champaign, der har arbejdet sammen med Omenetto og Kaplan på flere projekter. Ellers 'har du brug for en anden operation for at gå ind og fiske hardwaren ud.'

Til det formål gjorde et hold inklusive Rogers og Omenetto fremskridt i november sidste år, da de rapporterede udvikling af en trådløs, fjernstyret, silkebaseret enhed kaldet en 'magnesiumvarmer' og designet til at dræbe en lokaliseret bakterieinfektion.

'Dette var faktisk den første [in vivo] demonstration af en implanterbar enhed, der kan være fuldt nedbrydelig med en kontrollerbar levetid, der også havde en vis funktionalitet,' siger Tao, også hovedforfatter på dette studie , udgivet i PNAS . (Se et diagram her .)

En magnesium 'varmelegeme'. Foto af Fiorenzo Omenetto

På omkring en fjerdedel af størrelsen af ​​et frimærke består opfindelsen af ​​tynde, gennemsigtige silkefilm, der er klemt inde omkring, hvad der ligner en labyrint - den slags, som et barn kan løse i en aktivitetsbog, kun bittesmå. Faktisk består 'labyrinten' af en slangemodstand og en strømmodtagende spole lavet af magnesium - en essentiel ion, der kræves af kroppen. Fordi magnesium nedbrydes ret hurtigt i levende væv, tjener silken som et beskyttende skjold, designet til at nedbrydes i en langsommere hastighed.

For at demonstrere dets anvendelighed indsatte forskerne enheden under huden på mus, der var inficeret med Staphylococcus aureus . Ved hjælp af en fjernbetjening signalerede de magnesiumspolen om at varme modstanden op, hvilket igen dræbte bakterierne. Holdet forsøgte også at dope silkefibroinen med et stof, som de gjorde med spejlene. De fandt ud af, at varmelevering in vitro udløste lægemiddelfrigivelse og ødelagde bakterier.

'Visionen [for denne enhed] ville være, at du ikke behøver at tage piller på en regelmæssig tidsplan,' siger Rogers. 'I stedet er al den nødvendige medicin indlejret i denne platform, og så trykker du bare på en trådløs trigger for at frigive disse lægemidler.'

Fordi enheden fungerer på lokalt plan, kan den desuden potentielt indsættes i kirurgiske snit, før de sys op. 'Der er sandsynligvis 10-15 procent af patienterne, der lider af denne post-kirurgiske bakterielle infektion,' siger Tao.

Forskerne bygger i øjeblikket videre på dette arbejde, ifølge Rogers, og har indsendt endnu et papir, som de håber vil udkomme en gang til sommer. Selvom det i sidste ende ville tage omkring syv år for en enhed som varmeapparaterne at komme på markedet, har konceptet et par punkter i sin favør, siger Rogers.

For det første, ligesom silke i suturform, er de antibiotika, holdet brugte, allerede FDA-godkendt. 'Det faktum, at disse materialer er blevet brugt til andre former for implantater, giver en tillid til, at der ikke er nogen iboende biokompatibilitetsudfordringer med de materialer, vi bruger,' siger han. 'Det er svært nødvendigvis at forudsige disse ting, men jeg synes, vi har truffet et fornuftigt sæt af valg.'

Selvfølgelig medfører springet fra laboratoriebænk til sengekant også andre forhindringer. Nogle kirurger ser måske ikke et behov for en enhed, der opløses i levende væv, siger Bettinger, og 'på en eller anden måde er det de kunder, som man først skal overbevise for at bruge denne form for ny teknologi.'

Silke fibroin kranier. Foto af Luke Groskin

Det er fristende at forestille sig silkefibroin som et vidundermateriale, og det er det på mange måder. For Omenettos del bør vægten ikke ligge på silke i sig selv, men på bestræbelserne på at genbruge naturligt afledte materialer til 'smarte' produkter med teknologisk funktion og lav miljøpåvirkning, hvad enten de er biomedicinske eller livsstilsdrevne (tænk, bærbar elektronik ). 'Silke er bestemt en undskyldning. [Men] jeg tror, ​​det er større end det, siger han.

'Jeg tror, ​​der vil komme en masse interessante ting ud af at co-optere disse materialer til teknologiske anvendelser eller den næste generation af bioplast, og specifikke grænseflader på mikro- og nanoskalaen, der bringer teknologi og biologi sammen,” siger Omenetto.

For eksempel udvikler Bettinger en batteridrevet, indtagelig terapeutisk enhed bestående af naturlige polymerer, inklusive sukker og fedtstoffer, og endda kanelkrydderi. Omenettos eget laboratorium har undersøgt gedekashmir, som indeholder keratin, en anden biopolymer, der har fordele i forhold til silke, idet den passer bedre sammen med nogle metaller.

Alligevel er silkevejen lang, med miles tilbage at udforske. 'Tænk på, hvordan alle disse [silke] former kan styrkes ved let doping, ved let blanding af ting, der blinker, ting, der lever, ting, der binder ilt, ting, der heler, osv.,' siger Omenetto. 'Teknologiens kogebog er meget ekspansiv.'

*Denne artikel blev opdateret den 12. juni 2015 for at afspejle følgende ændringer: Når silkefibroinen er klargjort, skal den også gennemgå et dialysetrin og tid i en centrifuge for at blive en brugbar vandig opløsning. Den honningfarvede, tyktflydende opløsning, der oprindeligt blev nævnt, er, hvordan fibroin optræder i saltopløsningen. En tidligere version sagde også, at i magnesiumvarmer-eksperimentet var en mindre mængde varme nødvendig for at forårsage frigivelse af lægemidler, end når silken ikke var dopet med stoffer. Det var en sammenlignelig mængde varme.