January 28, 2022
Kadal yang Rendah Hati Menawarkan Pendekatan Mengejutkan untuk Rekayasa Paru-paru Buatan

Kadal yang Rendah Hati Menawarkan Pendekatan Mengejutkan untuk Rekayasa Paru-paru Buatan

Paru-paru kadal terbentuk dengan cepat dengan memanfaatkan proses mekanis sederhana yang oleh para peneliti disamakan dengan bola stres mesh, mainan umum. Saat cairan mengisi paru-paru yang sedang berkembang, membran dalam mendorong keluar melawan jaringan otot polos. Otot terpisah menjadi jaring berbentuk sarang lebah dan membran menonjol keluar melalui celah, menciptakan area permukaan yang dibutuhkan untuk pertukaran gas. Kredit: Gambar milik Celeste Nelson dan Michael Palmer

Ketika mempelajari paru-paru, manusia mengambil semua udara, tetapi ternyata para ilmuwan harus banyak belajar dari kadal.

Sebuah studi baru dari Universitas Princeton menunjukkan bagaimana kadal anole coklat memecahkan salah satu masalah alam yang paling kompleks — bernapas — dengan sangat sederhana. Sementara paru-paru manusia berkembang selama berbulan-bulan dan bertahun-tahun menjadi struktur seperti pohon barok, paru-paru anole berkembang hanya dalam beberapa hari menjadi lobus kasar yang ditutupi dengan tonjolan bulat. Struktur seperti labu ini, meskipun jauh lebih halus, memungkinkan kadal untuk menukar oksigen dengan gas buangan seperti halnya paru-paru manusia. Dan karena mereka tumbuh dengan cepat dengan memanfaatkan proses mekanis sederhana, paru-paru anole memberikan inspirasi baru bagi para insinyur yang merancang bioteknologi canggih.

“Kelompok kami sangat tertarik untuk memahami perkembangan paru-paru untuk tujuan rekayasa,” kata Celeste Nelson, Profesor Keluarga Wilke dalam Bioteknologi dan peneliti utama studi tersebut. “Jika kita memahami bagaimana paru-paru membangun dirinya sendiri, maka mungkin kita dapat memanfaatkan mekanisme yang digunakan alam untuk meregenerasi atau merekayasa jaringan.”

Sementara paru-paru burung dan mamalia mengembangkan kompleksitas besar melalui percabangan tak berujung dan sinyal biokimia yang rumit, paru-paru anole coklat membentuk kompleksitas yang relatif sederhana melalui proses mekanis yang disamakan oleh penulis dengan bola stres jala – mainan umum yang ditemukan di laci meja dan video DIY. Studi tersebut, diterbitkan pada 22 Desember 2021, di jurnal Kemajuan Ilmu Pengetahuan, adalah yang pertama melihat perkembangan paru-paru reptil, menurut para peneliti.

Paru-paru anole mulai beberapa hari dalam perkembangan sebagai membran berongga dan memanjang yang dikelilingi oleh lapisan otot polos yang seragam. Selama perkembangan, sel-sel paru-paru mengeluarkan cairan, dan saat mereka melakukannya, membran bagian dalam perlahan mengembang dan menipis seperti balon. Tekanan mendorong otot polos, menyebabkannya mengencang dan menyebar menjadi bundel serat yang akhirnya membentuk jaring berbentuk sarang lebah. Tekanan cairan terus mendorong membran yang melar ke luar, menonjol melalui celah di jalinan otot dan membentuk bohlam berisi cairan yang menutupi paru-paru. Tonjolan tersebut menciptakan banyak area permukaan tempat terjadinya pertukaran gas. Dan itu saja. Seluruh proses memakan waktu kurang dari dua hari dan selesai dalam minggu pertama inkubasi. Setelah kadal menetas, udara masuk di bagian atas paru-paru, berputar di sekitar rongga, dan kemudian mengalir kembali.

Untuk para insinyur yang ingin mencari jalan pintas alam demi kesehatan manusia, kecepatan dan kesederhanaan ini membuat paradigma desain baru yang radikal. Studi ini juga membuka jalan baru bagi para ilmuwan untuk mempelajari perkembangan reptil jauh lebih detail.

Ketika Nelson pertama kali mulai mempelajari paru-paru ayam di akhir tahun 2000-an, kebijaksanaan konvensional menyatakan “bahwa paru-paru ayam sama dengan paru-paru tikus sama dengan paru-paru manusia,” kata Nelson. “Dan itu tidak benar.”

Ingin menghilangkan asumsi tersebut, dia membimbing timnya untuk mengajukan pertanyaan mendasar tentang bagaimana paru-paru dari berbagai kelas vertebrata membangun dirinya sendiri. “Arsitektur paru-paru burung sangat berbeda dari paru-paru mamalia,” kata Nelson. Misalnya, alih-alih diafragma, burung memiliki kantung udara yang tertanam di seluruh tubuhnya yang berfungsi sebagai penghembus.

Untuk mengadaptasi kompleksitas luar biasa dari paru-paru burung untuk alat yang dapat bermanfaat bagi kesehatan manusia, Nelson percaya bahwa sains perlu masuk lebih dalam. Alam telah memecahkan masalah pertukaran gas dengan dua sistem yang sangat berbeda. Bagaimana mereka terhubung? Dan mungkinkah tidak ada sistem lain juga? Hal ini membawa timnya kembali ke masa evolusi untuk mencari asal usul yang sama. Dan di sana duduk reptil, melakukan apa yang reptil lakukan dengan sangat baik: bersembunyi di depan mata.

Ketika Michael Palmer bergabung dengan lab sebagai mahasiswa pascasarjana, dia menerima tantangan untuk mengatur penelitian ini — secara harfiah — dari bawah ke atas. Buaya terbukti terlalu kasar. Anoles hijau menolak untuk berkembang biak. Setelah bertahun-tahun melakukan pekerjaan pendahuluan, Palmer melakukan perjalanan ke Florida untuk menangkap anol coklat liar pada akhir 2019. Dia dan rekannya berjalan melewati lumpur taman pinggiran kota, membalik bebatuan dan dedaunan di sepanjang tepi hutan. Mereka menggunakan perangkap yang terbuat dari benang gigi untuk menangkap sekitar selusin individu dan menempatkan mereka masing-masing di vivarium mini mereka sendiri. Mereka kemudian membawa hewan dari Florida utara kembali ke Princeton, di mana dokter hewan Universitas dan staf sumber daya hewan membantu tim membangun fasilitas anole permanen.

Saat itulah Palmer mulai melihat telur untuk memetakan perkembangan paru-paru organisme. Bekerja dengan Andrej Košmrlj, asisten profesor teknik mesin dan kedirgantaraan, serta mahasiswa pascasarjana Anvitha Sudhakar, Palmer menggunakan pengamatannya untuk membangun model komputasi paru-paru dan memahami fisikanya.

“Kami ingin tahu apakah kami dapat mempelajari sesuatu tentang dasar-dasar perkembangan paru-paru dari mempelajari paru-paru yang begitu sederhana,” kata Palmer, yang meraih gelar Ph.D. dalam teknik kimia dan biologi awal tahun ini. Dia telah melihat bukti bahwa otot polos memainkan peran penting dalam sistem lain, tetapi dalam penelitian ini dia dapat mengamati bagaimana hal itu bekerja secara langsung.

“Paru-paru kadal berkembang menggunakan mekanisme yang sangat fisik,” kata Palmer. “Suatu kaskade tegangan akibat tekanan dan tekuk akibat tekanan.” Dalam waktu kurang dari dua hari, organ berubah dari balon datar menjadi paru-paru yang terbentuk sepenuhnya. Dan prosesnya cukup sederhana sehingga Palmer dapat menggunakan model komputasinya untuk membuat replika kerja di lab. Sementara sistem yang direkayasa tidak cocok dengan kompleksitas penuh sistem kehidupan, itu mendekati.

Para peneliti melemparkan membran menggunakan bahan silikon yang disebut Ecoflex, yang biasa digunakan dalam industri film untuk riasan dan efek khusus. Mereka kemudian membungkus silikon itu dengan sel otot cetak 3D untuk menciptakan jenis kerutan yang sama dalam silikon yang mengembang seperti yang ditemukan Palmer di organ hidup. Mereka menemui hambatan teknis yang membatasi verisimilitude ciptaan mereka, tetapi pada akhirnya sangat mirip dengan organ hidup.

Kadal halaman belakang yang sederhana itu telah mengilhami jenis baru paru-paru buatan dan kerangka kerja yang dapat disempurnakan oleh para insinyur menuju tujuan masa depan yang tidak dapat diketahui.

“Organisme yang berbeda memiliki struktur organ yang berbeda, dan itu indah, dan kita dapat belajar banyak darinya,” kata Nelson. “Jika kami menghargai bahwa ada banyak keanekaragaman hayati yang tidak dapat kami lihat, dan kami mencoba memanfaatkannya, maka kami sebagai insinyur akan memiliki lebih banyak alat untuk mengatasi beberapa tantangan utama yang dihadapi masyarakat.”

Referensi: “Stress ball morphogenesis: How the lizard build its lung” oleh Michael A. Palmer, Bryan A. Nerger, Katharine Goodwin, Anvitha Sudhakar, Sandra B. Lemke, Pavithran T. Ravindran, Jared E. Toettcher, Andrej Košmrlj dan Celeste M. Nelson, 22 Desember 2021, Kemajuan Ilmu Pengetahuan.
DOI: 10.1126/sciadv.abk0161

Makalah ini didukung sebagian oleh dana dari National Institutes of Health, National Science Foundation, Eric and Wendy Schmidt Transformative Technology Fund dan Howard Hughes Medical Institute. Penulis tambahan termasuk Bryan A. Nerger, Katharine Goodwin, Sandra B. Lemke, Pavithran T. Ravindran, dan Jared E. Toettcher, profesor biologi molekuler.