Penyelidik di Lab Hughes Penn Engineering telah menemui isyarat mekanikal utama dalam pembangunan buah pinggang, membuka jalan untuk buah pinggang tiruan kejuruteraan. Kejayaan ini boleh merevolusikan rawatan untuk penyakit buah pinggang kronik, yang menjejaskan berjuta-juta orang di seluruh dunia.
Penyakit buah pinggang kekal sebagai salah satu cabaran kesihatan yang paling menakutkan di seluruh dunia, tetapi kemajuan yang memberi inspirasi di Hughes Lab di University of Pennsylvania mungkin menandakan lonjakan transformatif ke hadapan. Penyelidik telah menemui petunjuk mekanikal penting yang boleh membimbing pembangunan tisu buah pinggang tiruan, menawarkan harapan baru untuk berjuta-juta yang menderita penyakit buah pinggang kronik (CKD).
Padat dengan tubul yang dikenali sebagai nefron, buah pinggang adalah penting untuk menapis darah, mengawal tekanan darah dan mengekalkan keseimbangan cecair. Walau bagaimanapun, kapasiti terhad buah pinggang untuk menjana semula menjadikan penyakit seperti CKD amat dahsyat.
"Terdapat beban klinikal yang besar bagi penyakit buah pinggang," kata Alex Hughes, penolong profesor dalam bioengineering dalam Penn Engineering dan dalam biologi sel dan perkembangan dalam Penn Medicine, dalam sebuah Siaran akhbar. "Dan terdapat sedikit jurutera yang cuba menghasilkan penyelesaian baharu."
Angka-angkanya sangat jelas. CKD menjejaskan lebih 850 juta orang di seluruh dunia, termasuk lebih daripada satu daripada tujuh rakyat Amerika. Ramai pesakit masih tidak menyedari keadaan mereka sehingga ia berkembang dengan ketara, membawa kepada kegagalan buah pinggang - hasil yang melibatkan sama ada dialisis atau pemindahan. Dengan senarai menunggu pemindahan AS sekitar 100,000 dan masa menunggu tiga hingga lima tahun, penyelesaian sekarang jauh dari ideal.
Untuk menangani perkara ini, Hughes Lab telah memusatkan perhatian pada mekanisme di sebalik pembentukan buah pinggang. Buah pinggang berkembang seperti hutan paip, dengan nefron terbentuk sebagai cawangan tubul dan bertindak balas terhadap persekitarannya. Hughes dan pasukannya mendapati tubul ini menghasilkan gelombang tekanan mekanikal yang kecil semasa ia membesar, menerangkan bilangan pembolehubah nefron dalam setiap buah pinggang.
"Ia seperti rangkaian pengedaran air bandar," tambah Hughes, "tetapi ia sedang dibina oleh sel-sel ini yang entah bagaimana secara kolektif mengetahui apa yang perlu dibina dan di mana jiran mereka berada dan apa yang perlu dibuat persimpangan, semuanya tanpa pelan tindakan."
Dalam kertas kerja baru-baru ini diterbitkan dalam jurnal Nature Materials, pasukan mengenal pasti gelombang tekanan ini sebagai tanda yang berpotensi untuk pembentukan nefron. Dengan mensimulasikan irama ini, mereka bertujuan untuk membimbing penciptaan buah pinggang tiruan - pendekatan yang akhirnya boleh memintas keperluan untuk dialisis dan pemindahan sama sekali.
Kerumitan tugas ini tidak boleh diperkecilkan. Tisu buah pinggang tiruan semasa, atau organoid, kekurangan struktur teratur yang diperlukan untuk fungsi yang berkesan.
"Anda boleh mencipta jenis sel yang betul," tambah Hughes, "tetapi organisasi spatial mereka tidak betul untuk sebahagian besar."
Penyimpangan ini menghalang organoid daripada berfungsi seperti buah pinggang semula jadi, yang menapis sisa dengan tepat dan memastikan ia keluar dari badan.
Lab Hughes sedang mengatasi cabaran ini dengan membangunkan perigi mikro tersuai yang memudahkan keadaan optimum untuk pertumbuhan tisu buah pinggang.
Kertas kedua diterbitkan dalam Sistem Sel menyerlahkan strategi mereka untuk mencipta komuniti sel kecil dalam nisbah terkawal untuk membentuk nisbah "goldilocks" untuk komposisi organoid yang optimum.
"Jika kita menukar nisbah, kita melihat komposisi organoid yang agak berbeza," kata Hughes. "Jadi anda boleh menganggap ini sebagai organoid pereka di mana anda mempunyai kawalan ke atas hasilnya."
Wawasan dwi makmal tentang gelombang tekanan mekanikal dan nisbah sel yang tepat menawarkan pelan tindakan yang menjanjikan untuk kejuruteraan tisu buah pinggang masa hadapan.
"Anda boleh bayangkan apabila organoid ini membezakan, anda boleh mensimulasikan proses berirama itu dan melihat jika tiba-tiba anda boleh memulakan hasil berskala lebih besar," tambah Hughes.
Memandangkan CKD diunjurkan menjadi punca utama kelima kehilangan nyawa di seluruh dunia menjelang 2040, keperluan penyelidikan Hughes Lab tidak boleh dilebih-lebihkan.
"Saya fikir hanya ada peluang besar untuk berfikir tentang menyusun semula tisu buah pinggang secara sintetik untuk perubatan regeneratif," tambah Hughes, melihat ke arah masa depan di mana inovasi dan sains bertemu untuk meringankan beban kesihatan global yang ketara.