Выращен искусственный кишечник с нервной системой
Американские ученые вырастили из стволовых клеток ткань кишечника, имеющую нервную систему и способную к самостоятельной перистальтике. Отчет о работе появился в журнале Nature Medicine.
Несмотря на кажущуюся простоту кишечник представляет собой сложный орган с разнообразным функциями: он переваривает пищу, всасывает получившиеся питательные вещества, обеспечивает перистальтику (продвижение пищевой массы с пищеварительными соками, или химуса), постоянно обновляет свою эпителиальную выстилку, вырабатывает защитную слизь, поддерживает жизнеспособность микробиома и т. д. Для этого ему необходима развитая нервная система, которая устроена значительно сложнее остальной автономной нервной системы. В частности, она имеет дополнительные нервные сплетения: межмышечное, или ауэрбахово, контролирующее движения кишки, и подслизистое, или мейсснерово, управляющее кровотоком, секрецией и всасыванием. Из-за этого некоторые авторы выделяют ее в самостоятельный отдел автономной нервной системы.
Первые образцы кишечной ткани, содержащие правильно организованный эпителий и мышечную ткань (кишечные органоиды), были получены в 2010 году, однако нейронов в них не было.
Сейчас та же лаборатория в Медцентре Детской больницы Цинциннати с коллегами из других научных центров США, Франции, и Австралии вырастила полноценную ткань кишки с функционирующей нервной системой, подражая естественному эмбриональному развитию кишечника.
На первой стадии процесса они по отработанной технологии вырастили кишечные органоиды сфероидной формы, соответствующим образом направив дифференцировку человеческих эмбриональных и индуцированных плюрипотентных стволовых клеток.
Затем, обрабатывая индуцированные плюрипотентные клетки ретиноевой кислотой, ученые получили из них клетки нервного гребня, служащие предшественницами кишечных нейронов. Эти клетки ввели в развивающиеся органоиды, где они мигрировали в мышечный и подслизистые слои и дифференцировались в нейроны и глиальные (вспомогательные) клетки. При этом сформировлись структуры, аналогичные мейсснерову и ауэрбахову сплетениям.
В полученных органоидах присутствовали также интерстициальные клетки Кахаля, которые обладают спонтанной электрической активностью и служат водителями ритма для волн перистальтики.
В таких органах наблюдались перистальтические движения, происходящие под контролем собственной нервной системы (это проверили, блокируя нейроны тетродотоксином). Причем происходило это как в пробирке, так и после имплантации их под капсулу мышиной почки. По гистологическому строению органоиды оказались схожи со здоровой тонкой кишкой человека.
Кишечные органоиды с нервной системой не имели собственных кровеносных сосудов и иммунных клеток, однако после имплантации их мышам организм животных снабжал их всем необходимым, отмечают исследователи.
«Полагаю, это одна из наиболее сложных тканей из когда-либо созданных. У нее есть внутренняя выстилка, абсорбирующая питательные вещества и вырабатывающая пищеварительные соки, полностью рабочие мышцы и нервы, контролирующие их волнообразные сокращения», — заявил руководитель работы Джим Уэллс (Jim Wells).
Основной целью научного коллектива является создание полноценных фрагментов кишечника для имплантации пациентам с различными врожденными и приобретенными его поражениями. Кроме того, органоиды уже сейчас позволяют моделировать подобные заболевания (например, заблокировав ген фактора транскрипции PHOX2B, ученые наблюдали изменения, характерные для болезни Гиршпрунга). Также они подходят для изучения действия лекарств на секрецию и перистальтику кишечника.
К настоящему времени для исследовательских целей созданы и совершенствуются органоидные модели различных органов и тканей (включая печень, желудок, щитовидную железу, легкие и другие), однако органоидов с автономной нервной системой получить до сих пор не удавалось. Подробнее почитать о создании искусственных органов можно в нашем материале.
Олег Лищук
Гексакоптер оснащен двумя взлетно-посадочными платформами для квадрокоптеров
Инженеры из Сколтеха разработали гибридный гексакоптер MorphoLander, который выступает в роли передвижного аэродрома для дронов меньшего размера. MorphoLander не только летает, но и может ходить по неровной поверхности при помощи четырех ног. В верхней части корпуса расположены две взлетно-посадочные платформы для микродонов. Дрон может пригодиться для инспекции объектов и поиска пострадавших во время стихийных бедствий, говорится в препринте на arXiv.org. При поддержке Angie — первого российского веб-сервера Дроны отлично подходят для выполнения задач поиска, инспекции и мониторинга, но потребляют много энергии и не могут долго находиться в полете. Одним из способов преодолеть это ограничение стала разработка дронов гибридной конструкции, которые могут не только летать, но и передвигаться по земле, например, с помощью колес или ног. Несмотря на то, что такой подход позволяет продлить время работы за счет менее энергозатратного способа передвижения по поверхности, продолжительность полета гибрида и его эффективность часто снижается из-за дополнительного веса. Инженеры под руководством Дмитрия Тетерюкова (Dzmitry Tsetserukou) из Сколтеха предложили использовать громоздкий дрон в качестве носителя для дронов поменьше. Тогда большой дрон выступает в роли передвижного «улья», который в нужный момент выпускает рой маленьких дронов, способных более эффективно выполнить задачу на большой территории за счет совместной работы. Разработанный прототип под названием MorphoLander представляет собой гексакоптер с четырьмя ногами, каждая из которых имеет три степени свободы. С их помощью дрон может передвигаться по неровной поверхности. Масса гибрида немного больше 10 килограмм. Встроенного аккумулятора хватает на 12 минут полета. Сверху на корпусе закреплены две посадочные платформы диаметром 20 сантиметров, на которые могут садиться микродроны. Чтобы микродронам (инженеры использовали Crazyflie 2.1 массой 27 грамм) было проще садиться на MorphoLander, материнский дрон с помощью алгоритма стабилизации старается удерживать горизонтальное положение платформ, подстраивая высоту ног под неровности поверхности. Посадка микродронов происходит под управлением алгоритма машинного обучения, его обучение с подкреплением проходило в симуляторе на платформе игрового движка Unity, который позволяет имитировать физику, с использованием пакета машинного обучения Unity ML Agents. Обученный алгоритм посадки затем испытали в трех сценариях с участием реальных дронов. В первом два микродрона должны были взлетать с расстояния полутора метров от MorphoLander и затем садиться на его платформы. Среднее значение отклонения от центра платформы в этом сценарии составило всего около 5,5 миллиметра. Во втором сценарии микродроны должны были садиться на материнский дрон, стоящий на неровной поверхности. В этом случае ошибка возросла и составила 25 миллиметров. Третий сценарий имитировал реальное применение: микродроны взлетали с платформ, в то время как MorphoLander отходил от места взлета на некоторое расстояние, после чего микродроны должны были сесть обратно. Среднее значение отклонения от центра 20-сантиметровой платформы составило 35 миллиметров. В будущем инженеры планируют увеличить точность и устойчивость алгоритма управления микродронами за счет контроля тяги отдельных винтов. https://www.youtube.com/watch?v=fV8_Ejy81s8&t=1s Совместная работа помогает роботам справляться с более трудными задачами. К примеру японские инженеры разработали систему из работающих в паре дрона и наземного робота. Они соединены друг с другом тросом, что позволяет наземного дрону взбираться на более крутые подъемы. Для этого дрон закрепляет трос на вершине, после чего наземный робот натягивает его с помощью лебедки и поднимается наверх.