Johns Hopkins biomedische ingenieurs, werken met collega's in Korea, hebben een laboratoriumchip gemaakt met nanoscopische groeven en richels die in staat zijn om hartweefsel te laten groeien dat meer lijkt op de natuurlijke hartspier.

Verrassend genoeg, op deze manier gekweekte hartcellen gebruikten een "nanosense" om instructies voor groei en functie uitsluitend te verzamelen op basis van de fysieke patronen op de nanotextuurchip en hadden geen speciale chemische aanwijzingen nodig om de weefselontwikkeling op verschillende manieren te sturen. De wetenschappers zeggen dat deze tool kan worden gebruikt om nieuwe therapieën of diagnostische tests voor hartaandoeningen te ontwerpen.

Het apparaat en de experimenten waarmee het wordt gebruikt, zijn beschreven in de online Early Edition van deze week Proceedings van de National Academy of Sciences . Het werk, een samenwerking met Seoul National University, is een belangrijke stap vooruit voor onderzoekers die cellen in het laboratorium kweken om meer te weten te komen over hartaandoeningen en mogelijke remedies.

"Hartspiercellen gegroeid op het gladde oppervlak van een petrischaal, zou wat bezitten, maar nooit allemaal, van dezelfde fysiologische kenmerken van een werkelijk hart in een levend organisme, " zei André Levchenko, een Johns Hopkins universitair hoofddocent biomedische technologie aan de Whiting School of Engineering. "Dat komt omdat hartspiercellen - cardiomyocyten - signalen aannemen van de zeer gestructureerde extracellulaire matrix, of ECM, dat is een steiger gemaakt van vezels die alle weefselgroei bij zoogdieren ondersteunt. Deze signalen van de ECM beïnvloeden de weefselstructuur en -functie, maar als je cellen kweekt op een glad oppervlak in het lab, de fysieke signalen kunnen ontbreken. Dit behandelen, we hebben een chip ontwikkeld waarvan het oppervlak en de zachtheid de ECM nabootsen. Het resultaat was in het laboratorium gekweekt hartweefsel dat meer lijkt op het echte werk."

Levchenko voegde eraan toe dat toen hij en zijn collega's het natuurlijke hartweefsel van een levend dier onderzochten, "We merkten meteen dat de cellaag die zich het dichtst bij de extracellulaire matrix bevindt, zeer langwerpig en lineair groeide. De cellen oriënteren zich met de richting van de vezels in de matrix, wat suggereert dat ECM-vezels structurele of functionele instructies geven aan het myocardium, een algemene term voor de hartspier." Deze instructies, Levchenko zei, worden geleverd op nanoschaal, activiteit op de schaal van een miljardste van een meter en een duizendste van de breedte van een mensenhaar.

Levchenko en zijn Koreaanse collega's, werken met Deok-Ho Kim, een doctoraalstudent biomedische technologie van het laboratorium van Levchenko en de hoofdauteur van het PNAS-artikel, ontwikkelde een tweedimensionaal hydrogeloppervlak dat de stijfheid simuleert, grootte en vorm van de vezels die in een natuurlijk ECM-netwerk worden aangetroffen. Dit biovriendelijke oppervlak, gemaakt van niet-giftig polyethyleenglycol, vertoont een reeks lange ribbels die lijken op het gevouwen patroon van golfkarton. De geribbelde hydrogel zit op een glasplaatje ter grootte van een Amerikaanse dollarmunt. Het team maakte een verscheidenheid aan chips met rugbreedtes van 150 tot 800 nanometer, groefbreedtes van 50 tot 800 nanometer, en nokhoogtes variërend van 200 tot 500 nanometer. Hierdoor konden onderzoekers de oppervlaktetextuur controleren over meer dan vijf ordes van grootte van lengte.

"We waren blij om te ontdekken dat binnen slechts twee dagen, de cellen werden langer en groeiden langs de richels op het oppervlak van het objectglaasje, " zei Kim. Bovendien, vonden de onderzoekers een verbeterde koppeling tussen aangrenzende cellen, een arrangement dat meer leek op de architectuur die wordt aangetroffen in natuurlijke lagen van hartspierweefsel.

Cellen gekweekt op gladde, niet-patroon hydrogels, echter, bleef kleiner en minder georganiseerd met een slechtere cel-naar-cel koppeling tussen lagen.

"Het was heel opwindend om te zien hoe gemanipuleerde hartcellen zich op een kleine chip in twee dimensies gedroegen zoals ze zouden doen in het oorspronkelijke hart in drie dimensies, ' zei Kim.

In samenwerking met Leslie Tung, een professor in biomedische technologie aan de Johns Hopkins School of Medicine, vonden de onderzoekers dat, na een paar dagen groei, cellen op het oppervlak met nanopatroon begonnen elektrische golven te geleiden en sterk samen te trekken in een specifieke richting, zoals intacte hartspier zou doen.

"Misschien het meest verrassend, deze weefselfuncties en de structuur van het gemanipuleerde hartweefsel kunnen worden gecontroleerd door eenvoudigweg de nanoschaaleigenschappen van de steiger te veranderen. Dat laat zien dat hartcellen een acute 'nanosense, ', zei Levchenko.

"Deze gevoeligheid op nanoschaal was te wijten aan het vermogen van cellen om te vervormen bij het plakken aan de spleten in het nanogestructureerde oppervlak en waarschijnlijk niet vanwege de aanwezigheid van een moleculaire cue, " zei Levchenko. "Deze resultaten laten zien dat de ECM dient als een krachtig signaal voor celgroei, evenals een ondersteunende structuur, en dat het de hartcelfunctie op nanoschaal afzonderlijk in verschillende delen van dit vitale orgaan kan regelen. Door deze ECM-eigenschap na te bootsen, we zouden kunnen beginnen met het ontwerpen van beter ontwikkeld hartweefsel."

Vooruit kijken, Levchenko verwacht dat technische oppervlakken met vergelijkbare nanoschaalkenmerken in drie dimensies, in plaats van slechts twee, zou een nog krachtigere manier kunnen bieden om de structuur en functie van gekweekt hartweefsel te controleren.