Учёные подсмотрели у ящерицы способ печатать искусственные лёгкие

Природа — гениальный инженер. Но иногда её решения настолько просты и элегантны, что мы, люди, только диву даёмся. Взять хотя бы лёгкие. У млекопитающих это сложнейшая древовидная структура, которая развивается месяцами. А у коричневого анолиса, обычной ящерицы, лёгкие формируются за пару дней и работают не хуже. Учёные из Принстона решили подсмотреть этот механизм и воспроизвести его в лаборатории.

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», — говорит Селеста Нельсон, профессор биоинженерии. «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».

Интересно, что лёгкие у разных классов позвоночных устроены радикально по-разному. У млекопитающих и птиц — это сложные системы с разделением на воздухоносные пути и зоны газообмена. А у многих рептилий — просто мешочки, где всё происходит в одной камере. Долгое время считалось, что для однонаправленного потока воздуха нужна сложная анатомия, но недавно выяснилось: у игуан с их простыми мешками тоже есть однонаправленный поток. Всё дело в уникальной сотовой структуре стенки лёгкого.

Авторы исследования сравнивают процесс развития лёгкого анолиса с сетчатым шариком для снятия стресса. Сначала это просто полая мембрана, окружённая гладкой мускулатурой. Потом клетки выделяют жидкость, мембрана набухает и истончается, давит на мышцы, те расправляются в пучки, образуя соты. Мембрана выпячивается в промежутки — и вот уже готова огромная площадь для газообмена. Весь процесс занимает меньше двух дней.

Исследователь Майкл Палмер наблюдал за яйцами, составил карту развития и вместе с коллегами создал компьютерную модель. «Нам было интересно, сможем ли мы узнать что-то об основах развития легких, изучая такое простое легкое», — говорит он. Оказалось, что гладкая мускулатура работает как скульптор — и этот процесс оказался на удивление легко воспроизводимым.

Палмер взял силикон Ecoflex (тот самый, что используют для голливудского грима), отлил мембрану, окружил её напечатанными на 3D-принтере «мышцами» и надул. Силикон пошёл рябью — точно так же, как в живом лёгком. Получилась упрощённая, но рабочая модель.

Конечно, до создания полноценного искусственного лёгкого ещё далеко. Но сам подход — подсмотреть у природы простое решение и перенести его в инженерию — выглядит невероятно многообещающе. Возможно, через пару десятилетий мы будем выращивать новые лёгкие для пациентов не в сложных биореакторах, а просто надувая силиконовые шарики.