A szintetikus morfogenezis az élőlények szerveinek, rendszereinek és testrészeinek szabályozott fejlesztése specifikus molekuláris mechanizmusok aktiválásával, beleértve a programozható szövetek és szervek, szintetikus bioanyagok és programozható élőanyagok létrehozását , valamint összetett morfogén rendszerek de novo tervezését . 1] .
A morfogenezis lehetséges mechanizmusainak első megfontolása Alan Turing angol matematikus 1952-ben publikált munkája volt, "A morfogenezis kémiai alapjai", amely a fejlődésbiológia mechanizmusait írta le differenciálegyenletrendszerekben [2] . A természetes morfológiai rendszerek rendszerint moduláris hierarchikus felépítésűek. Ez a tulajdonság a biológiai rendszerek evolúciójának eredménye, amelyen belül a fő molekuláris folyamatok rögzültek, majd az intra- és intercelluláris kölcsönhatások dinamikus szabályozásának kombinációja. A szintetikus morfogenezis egy olyan megközelítés, amely a felnőtt szervezet által elvesztett szövetek, szervek és sejtfunkciók pótlására szolgál a normál ontogenezis helyi ismétlődésének indukálásával, vagy alapvetően új funkciójú szervek kialakításával [1] . Jelenleg azonban a klinikai szakemberek alkalmazási területeit általában korlátozzák a sejttranszdifferenciálódás és a formázás lehetőségei [3] , amihez három nagy probléma társul: a) a felhasznált biokonstruktor elemeinek hiányossága; b) a létrejövő biokonstrukciók zajállóságának biztosítása; c) korlátozott módszerek a biomérnöki megoldások megvalósítására.
A szintetikus biológia megközelítések alkalmazása lehetővé teszi az elemek teljességének problémájának tervezési megoldását, egy „biokonstruktor” elemeiből összeállítva egy biorendszert. A közelmúltban munkák jelentek meg a bioblokkok könyvtárainak rendszerezéséről, amelyek a szervek és szövetek összetevőinek tulajdonságait és funkcióit konstruálják [4] a további klinikai gyakorlatban való felhasználás céljából [5] . Az egyik ilyen felhasználási terület a különféle természetű pluripotens sejtekből a teljes morfogenezisig az emberi testben „üres szerv” létrehozása [6] . Jelenleg szintetikus génkonstrukciókat vezettek be a sejttípus, az anyagcsere állapot, a biokémiai jelek és a fény felismerésére a sejt alakjának, mozgékonyságának és differenciálódási programjának megváltoztatására, vagy sejthalál kiváltására. A szintetikus intercelluláris jelátvitel lehetővé teszi a sejtpopuláció számára, hogy döntéseket hozzon és koordinálja a viselkedést lokálisan és globálisan is [1] . A sejtsebészet hatékony szövetmérnöki eszközt kínál a sebészet és a helyreállító gyógyászat klinikai alkalmazásaihoz. Az egyszerű új rendszerek felépítése a valódi embriók tanulmányozásából származó morfológiai elméletekkel összhangban ezen elméletek szigorú tesztelésének eszközeként szolgál majd, amit nagyon nehéz megtenni az összetett embriók manipulálásával (a rendszerbiológia mint eszköztár). ). A szintetikus morfológia mérnöki követelményei közé tartozik a sejten belül funkcionálisan összekapcsolható szenzoros modulok, szabályozó modulok és effektor modulok könyvtárának fejlesztése. Jelentős számú szenzoros és szabályozó modul létezik már, és mint ilyen, a módosított emberi sejtek tervezéséhez szükséges könyvtár már elérhető közelségben van [7] .
A fejlődésbiológia a szervezeti komplexitás és a zajjal szembeni rezisztencia jelenségével foglalkozik a gének sejtben történő expressziójában. Jelenleg különféle modellek léteznek ilyen folyamatokra, de még messze vagyunk attól, hogy megértsük a teljes képet, különösen a morfogenezist, amelyben a génexpressziót szigorúan szabályozni kell. Alapvetően szükséges a génexpresszió szabályozásának kérdéseit a különféle külső hatásoknak és a belső sztochaszticitásnak ellenálló szervezet fejlődésének szabályozása útján vizsgálni [8] . Erre a célra jelenleg különféle módszereket alkalmaznak a sejtek metabolikus folyamatainak modellezésére [9] . A módosított sejtközösségek transzkripciós profiljukban különböznek, és a génexpressziós mintázatok is megváltoznak a sejtközösségek kollektív dinamikája következtében. Ez arra utal, hogy a biológiai összefüggések széles körében a génexpresszió a populáció és a környezet dinamikájához kapcsolódó önszerveződési folyamatot tükröz [10] . Ez a jelenség összetett többkomponensű szövetek tervezésében használható fel, amelyek egyes tervezési hibáit önszerveződő és alkalmazkodó sejtközösségek kompenzálhatják.
A szintetikus morfogenezis módszereit jelenleg a nukleinsavak szintézisére és szekvenálására, bioreaktorban történő sejttenyésztésre , differenciálódásra vagy transzdifferenciálódásra szolgáló molekuláris biológiai technológiák jelentik, amelyeken belül a sejtek képesek átmenni egy közvetlen (pluripotensből szomatikussá) ill. fordított út (szomatikustól a multi- vagy pluripotensig). A heterogén omikai adatok sejtalkotó módszerekkel való integrálása lehetővé tette a vérerek endothel sejtek működésének modellezését [11] . Az intercelluláris szervezetek felépítésének új irányai az új szimbiózisok létrehozásában is megállják a helyüket [12] .
A szervbimbó -megközelítés olyan szövetmanipulált konstrukciók előállítására szolgáló módszerek összessége, amelyekben emberi vagy állati testüregeket használnak bioreaktorként a morfogenezis utolsó szakaszában [13] . Az ilyen nyersdarabok előgyártása különféle formázási módszerekkel (3D bionyomtatás; az extracelluláris mátrix sejtekkel való kolonizálása rotációs bioreaktorban stb.) végezhető, amelyet in vivo vagy in vitro inkubáció követ , például mesterséges fascia létrehozása. üres sejtekből és hordozóból 3D bioprinterben, és a munkadarab további "kiképzése" in vivo körülmények között [14] .
A szervek és szövetek funkcióinak regenerálása mérnöki (szintetikus) biológiai módszerek alkalmazásával ígéretes szisztematikus megközelítés, melynek eredményei a klinikai gyakorlatban is hasznosíthatók. Kutatásra van szükség az organogenezist utánzó feltételek pontos meghatározásához , amely végül funkcionális szervek és mikrobiológiai közösségek létrejöttéhez vezethet. A szintetikus morfogenezis az emberi szervek és szövetek in vitro biomérnökségének alternatív megközelítése . A módszer alkalmazásának korlátja a szervezet azon képessége, hogy helyreállítsa a károsodásokat, eltávolítsa az anyagcseretermékeket stb. A génmanipulált állatok, például a minimalacok , amelyekből a sertés endogén retrovírusainak egy részét eltávolították, és a sejtekben az MHC -komplexummal helyettesítették [15] , akkor használhatók, ha egészségügyi okok miatt nem lehet szervet növeszteni a páciens testében.