На пути к созданию искусственных легких с помощью ящерицы рода анолисов
Функция легкого тесно связана с его структурной анатомией, которая сильно варьируется от позвоночного к позвоночному. Новое исследование, проведенное Принстонским университетом, показывает, как коричневый анолис, один из видов ящериц, решает одну из самых сложных проблем природы — дыхание - с чрезвычайной простотой. В то время как легкие человека в течение месяцев и лет развиваются в древовидных структурах, легкие анолиса развиваются в крупные доли всего за несколько дней. А поскольку они быстро формируются с помощью простых механических процессов, легкие этой ящерицы можно использовать для создания искусственных легких.
"У разных организмов разные структуры органов [...], и мы можем многому научиться", — сказала в своем заявлении Селеста Нельсон, профессор биоинженерии и ведущий научный сотрудник исследования. "Если мы осознаем, что существует много биоразнообразия, которое мы не видим, и попытаемся использовать это в своих интересах, то у нас, как у инженеров, будет больше инструментов для решения некоторых больших проблем, стоящих перед обществом", — добавил он. Это необходимо для того, чтобы иметь возможность, например, регенерировать или конструировать легочную ткань.
Интересно отметить, что в ламаркистской эволюционной концепции функция органа диктует его форму. Поэтому физиология многих систем органов демонстрирует на эволюционном древе сохранение лежащей в их основе анатомии. Однако легкие радикально отличаются у разных классов позвоночных. Легкие млекопитающих и птиц состоят из отдельных тканевых отсеков, которые физически разделяют проведение воздуха (через бронхи или воздушные мешки, соответственно) и газообмен (через альвеолы, или парабронхи у птиц).
Напротив, легкие многих рептилий представляют собой простые мешочки, в которых проводимость и газообмен происходят в одной и той же анатомической камере. Считалось, что однонаправленный воздушный поток требует сложной анатомии парабронхиального легкого до недавнего открытия моделей однонаправленного потока в простых мешкообразных легких зеленой ящерицы-игуаны. Исследователи предполагают, что такой характер воздушного потока отчасти зависит от уникальной сотовой структуры стенки легких ящерицы.
Авторы сравнивают очень простой и необычный механический процесс легкого коричневого анолиса с сетчатым шариком для снятия стресса. Через несколько дней после начала развития легкое ящерицы выглядит как полая, вытянутая мембрана, окруженная равномерным слоем гладкой мускулатуры. Во время развития клетки легких выделяют жидкость, внутренняя мембрана набухает, а затем медленно истончается. Мембрана оказывает давление на гладкую мускулатуру, которая напрягается и расправляется в пучки волокон, образующих сотоподобную сетку. Мембрана расширяется через зазоры, создавая необходимую площадь поверхности для газообмена. Весь процесс занимает менее двух дней и завершается в течение первой недели инкубации.
Затем Майкл Палмер начал наблюдать за яйцами, чтобы составить карту развития легких организма. Вместе с Андреем Кошмрлем, доцентом кафедры машиностроения, и аспиранткой Анвитой Судхакар Палмер использовал свои наблюдения для создания компьютерной модели легкого и понимания его физики. "Нам было интересно, сможем ли мы узнать что-то об основах развития легких, изучая такое простое легкое", — сказал он. Хотя уже было известно, что гладкая мускулатура играет роль скульптора в других системах, новое наблюдение оказалось полезным и легко реализуемым.
Действительно, процесс достаточно прост, чтобы Палмер мог использовать свою компьютерную модель для создания рабочей копии в лаборатории. Исследователи отлили мембрану из силиконового материала под названием Ecoflex™, широко используемого в киноиндустрии для грима и спецэффектов. Затем они окружили этот силикон напечатанными на 3D-принтере мышечными клетками, чтобы создать в раздутом силиконе такую же рябь, которую Палмер обнаружил в живом органе. Хотя полученная система не достигла полной сложности живой системы, она приблизилась к ней вплотную.