6 Minutės
Fungal hydrogels as a biomaterial opportunity
Tyrėjai ieško netikėtų šaltinių kitų kartų žaizdų tvarsliams: gyvų grybų tinklų. Dirvožemyje randama pelėsis Marquandomyces marquandii parodė gebėjimą susidaryti tvirtus, daug vandens sulaikančius hidrogelius su sluoksniuota, porėta mikrostruktūra, primenančia tam tikrus žmogaus minkštųjų audinių bruožus. Šie iš grybų gauti hidrogelys gali tapti biokompatibiliais atraminiais karkasais audinių remontui, ląstelių kultūrai, dėvimiesiems bioelektronikos sprendimams arba net mineralizuotų kaulo formų šablonams.
Biology and materials science meet: what is mycelium-driven hydrogel?
Dauguma žmonių grybą atpažįsta pagal baravykus ar pūkuotus pelėsio apnašus, tačiau didžioji grybo dalis yra tarpusavyje susipynęs plonų siūlų tinklas, vadinamas mikeliu. Mikelis daugiausia sudarytas iš chitozano (chitino) – struktūrinio polisacharido, kuris taip pat aptinkamas vabzdžių išoriniuose apvalkaluose ir moliuskų kriauklėse. Kadangi mikelio tinklai auga kaip ilgos, šakojasi ir formuoja tarpusavyje sukibusias sluoksnių struktūras, medžiagų mokslininkai mato galimybę išnaudoti šią architektūrą kaip gyvą hidrogelys.
Jutos universiteto inžinieriai, taikydami stacionarią skystą fermentaciją, kultivavo M. marquandii ir užfiksavo įdomų fenomeną: kolonijos susidarė kaip stori, daugiasluoksniai mikelio lakštai, galintys sulaikyti didelį vandens kiekį. Šiuose panardintuose auginimo sąlygose grybas sukūrė besikeičiančias juostas su skirtingu poringumu, taip susidarydamas kompozicinę medžiagą, kurioje yra ir putlių, ir tankesnių regionų – savybių, vertingų imituojant odos ir kitų minkštųjų audinių viskoelastines bei transporto charakteristikas.
Experiment details and key material properties
Auginant M. marquandii stacionarioje skystoje kultūroje, susiformavo mikelio matrica, panaši į hidrogelys, galinti sulaikyti iki 83 procentų vandens tūrio atžvilgiu. Mikroskopinė analizė ir poringumo tyrimai atskleidė sluoksniuotą struktūrą: paviršiniai sluoksniai turėjo apytiksliai 40 proc. poringumą, o vidinės juostos keitėsi – maždaug 90 proc. ir 70 proc. poringumo. Tyrėjai šį raštą sieja su grybo augimo strategijos pokyčiais – paviršiui artimos gijos pirmenybę teikia pločiniam augimui ir formuoja tankesnius sluoksnius, o panardintos sritys auga labiau gijų pavidalu ir sukuria itin porėtas zonas.
Weekly progression of M. marquandii growth on potato dextrose broth under stationary liquid fermentation over 4 weeks. (Agrawal et al., JOM, 2025)
Skirtingas poringumas yra reikšmingas biomedicinos dizainui. Tankesni sluoksniai gali suteikti konstrukcinį vientisumą ir lėtesnį masės perdavimą, tuo tarpu aukšto poringumo juostos gali talpinti ląsteles, maistines medžiagas ar skysčius ir palaikyti greitą difuziją. Komanda taip pat pastebėjo, kad keičiant kultūravimo sąlygas – deguonies prieinamumą, temperatūrą, maistinių medžiagų koncentraciją – galima reguliuoti hidrogelys mikrostruktūrą ir taip paveikti jos mechaninį bei transporto elgesį. Tokiu būdu mycelium-driven hydrogel arba mikelio hidrogelys gali būti optimizuojamas pagal konkrečius audinių inžinerijos reikalavimus.
Potential biomedical applications
Biointegruoti hidrogelys siekia atkartoti daugia sluoksnių, viskoelastines savybes, būdingas odai, kremzlėms ir kitiems audiniams. Kadangi mikelis yra biokompatibilus ir natūraliai porėtas, M. marquandii hidrogelys gali būti naudojami kaip:
- Žaizdų tvarstis, palaikantis drėgną gijimo aplinką ir teikiantis struktūrinę paramą bei barjerą nuo teršalų.
- Scaffoldai audinių inžinerijoje ir regeneracinėje medicinoje, kur ląstelės sėjamos į mikeliškas matricas ir auga kartu su gyvu karkasu.
- Mineralizacijos šablonai kaulo tipo struktūrų gamybai, leidžiant ant mikelio paviršiaus depozituoti kalcio fosfatus ar kt. mineralus.
- Medžiagos dėvimiesiems bioelektronikos įrenginiams arba ląstelių bioreaktoriams, kuriems reikalingos minkštos, drėgnos sąsajos su gera difuzija ir biokompatibilumu.
Jutos universiteto medžiagų inžinierius Steven Naleway pažymėjo, kad „dideli, tvirti mikelio sluoksniai“, kuriuos gamina M. marquandii, iš esmės yra chitinio pobūdžio, todėl pasižymi putlumu ir biokompatibilumu, kas daro juos patraukliais minėtoms taikymo sritims. Be to, chitinui priskiriami mechaniniai privalumai ir cheminis modifikavimo potencialas leidžia kurti papildomas funkcijas – pavyzdžiui, antimikrobines dangas, augimo faktorių pririšimo vietas ar selektyvias biofunkcijas.
Safety, limitations and research priorities
Gyvų grybų medžiagų perkėlimas į klinikinę praktiką reikalauja kruopštaus saugumo testavimo. M. marquandii nėra žinomas kaip žmogaus patogenas, tačiau chitinas ir kiti grybo komponentai kai kuriems asmenims gali sukelti alergines reakcijas. Būtini gyvūnų modeliai ir imunologiniai tyrimai, kad būtų įvertintas alerginis arba uždegiminis potencialas ir įmanomos imuninės reakcijos. Ilgalaikis stabilumas, sterilumas ir augimo kontrolė yra papildomos kliūtys: bet koks gyvas tvarstis turi būti saugus, kontroliuojamas bei suderinamas su esamais medicininės sterilizacijos ir reguliavimo reikalavimais.
Tyrėjai pabrėžia poreikį parodyti, kaip grybiniai hidrogelys sąveikauja su žmogaus ląstelėmis ir audiniais, optimizuoti auginimo protokolus, kad pageidaujamos savybės būtų pakartojamos, ir sukurti užtikrinimo(-containment) strategijas, kurios eliminuotų nekontroliuojamo grybo plitimo riziką – tai esminiai žingsniai prieš bet kokią klinikinę taikymą. Praktiniai plėtros etapai turėtų apimti sterilumo metodų pritaikymą gyviems biomaterialams (pvz., lokali terminė arba cheminė inaktyvacija prieš diegiant), taip pat integruotas saugumo žymes ar „kill-switch“ mechanizmus, leidžiančius kontroliuoti gyvą mikelio aktyvumą.
Related technologies and future prospects
Mikelio pagrindu pagamintos medžiagos jau tiriamos tvaraus medžiagų mokslo srityje – pavyzdžiui, kaip pakuotės, izoliacinės medžiagos ir kompozicinės plokštės – nes tai suteikia atsinaujinantį, mažai energijos reikalaujantį būdą gauti struktūruotus biomaterialus. Pereiti prie gyvų grybų hidrogelys reiškia įtraukti šią strategiją į biomediciną. Mycelium-driven hydrogel integracija su technologijomis, tokiomis kaip mineralizacija, 3D bioprintavimas ar biocheminis funkcionalizavimas, galėtų sukurti hibridinius karkasus, pritaikytus konkretiems audiniams ir jų mechaninėms bei biocheminėms reikmėms.
Be klinikinių paraiškų, mikelio hidrogelys taip pat gali tarnauti in vitro tyrimams: ląstelių kultūros karkasams ir bioreaktoriams, kurie imituoja audinių mechaniką ir transportą, tuo pačiu išlikdami tvaresne alternatyva sintetinėms polimerinėms medžiagoms. Tokios sistemos gali sumažinti eksperimentinių biomaterialų kaštus ir palengvinti ilgalaikio tyrimų mastelio kūrimą laboratorijose.
Expert Insight
Dr. Lina Ortega, biomedicinos inžinerė, specializuojanti biomaterialuose, komentavo: "Pati įdomiausia mycelium-based hydrogels dalis yra jų natūrali hierarchinė struktūra. Jei pavyktų patikimai reguliuoti poringumą ir biochemines paviršiaus savybes, šios medžiagos galėtų tapti pigia ir mastelio požiūriu pritaikoma alternatyva sintetiniams scaffoldams įvairioms regeneracinėms panaudojimo sritims. Iššūkis bus įrodyti pakartojamą saugumą ir veikimą in vivo." Jos pastaba paryškina praktikinius ir translacinius aspektus: technologijos privalo atitikti tiek mechaninius reikalavimus, tiek biologinio suderinamumo ir regulacinius standartus.
Conclusion
Marquandomyces marquandii įrodė, kad kai kurie grybai gali gaminti gyvus, daugiasluoksnius hidrogelys su dideliu vandens kiekiu ir reguliuojamu poringumu – savybėmis, reikšmingomis žaizdų gijimui ir audinių inžinerijai. Nors kelias iki klinikinių pritaikymų yra ilgas ir reikalaus intensyvių saugumo, imunologinių ir reguliavimo tyrimų, grybiniai hidrogelys reprezentuoja perspektyvią mikrobiologijos ir medžiagų mokslo sankirtą. Tolesni tyrimai, skirti kontroliuojamam augimui, funkcionalizavimui bei biokompatibilumo įvertinimui, gali paversti mikelio kilmės medžiagas reikšminga biomaterialų rinkos dalimi. Kartu su pažangomis 3D bioprintavimo, mineralizacijos ir paviršiaus modifikavimo srityse, mycelium-driven hydrogel ir grybų hidrogelys turi potencialą išplėsti regeneracinės medicinos įrankių arsenalo galimybes, suteikiant tvaresnius, masteliuotus ir biologiškai suderinamus sprendimus.
Šaltinis: sciencealert
Palikite komentarą