Een team van onderzoekers van het MIT en het Children's Hospital Boston heeft hartpatches gebouwd die zijn bezaaid met kleine gouddraadjes die kunnen worden gebruikt om stukjes weefsel te maken waarvan de cellen allemaal op tijd kloppen, het nabootsen van de dynamiek van de natuurlijke hartspier. De ontwikkeling zou ooit mensen kunnen helpen die een hartaanval hebben gehad.

De studie, meldde deze week in Natuur Nanotechnologie , belooft verbetering van bestaande hartpatches, die moeite hebben om het niveau van geleidbaarheid te bereiken dat nodig is om een ​​soepele, continue "beat" door een groot stuk weefsel.

“Het hart is een elektrisch heel geavanceerd stuk machine, " zegt Daniël Kohane, een professor in de Harvard-MIT Division of Health Sciences and Technology (HST) en senior auteur van het artikel. “Het is belangrijk dat de cellen tegen elkaar slaan, of het weefsel zal niet goed functioneren.”

De unieke nieuwe aanpak maakt gebruik van gouden nanodraden verspreid over hartcellen terwijl ze in vitro worden gekweekt, een techniek die “de prestatie van de hartpleister aanzienlijk verbetert, ', zegt Kohan. De onderzoekers denken dat de technologie uiteindelijk kan resulteren in implanteerbare pleisters om weefsel te vervangen dat is beschadigd bij een hartaanval.

Mede-eerste auteurs van de studie zijn MIT-postdoc Brian Timko en voormalig MIT-postdoc Tal Dvir, nu aan de Universiteit van Tel Aviv in Israël; andere auteurs zijn hun collega's van HST, Children's Hospital Boston en MIT's Department of Chemical Engineering, waaronder Robert Langer, de David H. Koch Instituut Professor.

Ka-thump, ka-thump

Om nieuw weefsel op te bouwen, biologische ingenieurs gebruiken meestal miniatuursteigers die lijken op poreuze sponzen om cellen in functionele vormen te organiseren terwijl ze groeien. traditioneel, echter, deze steigers zijn gemaakt van materialen met een slechte elektrische geleidbaarheid - en voor hartcellen, die afhankelijk zijn van elektrische signalen om hun samentrekking te coördineren, dat is een groot probleem.

“Vooral in het geval van cardiale myocyten, je hebt een goede verbinding tussen de cellen nodig om signaalgeleiding te krijgen, ', zegt Timko. Maar de steiger werkt als een isolator, het blokkeren van signalen om veel verder te reizen dan de directe buren van een cel, en het bijna onmogelijk maken om alle cellen in het weefsel als een eenheid samen te laten kloppen.

Het probleem oplossen, Timko en Dvir profiteerden van hun complementaire achtergronden - Timko's in halfgeleidende nanodraden, Dvir's in de engineering van hartweefsel - om een ​​gloednieuw steigermateriaal te ontwerpen dat elektrische signalen doorlaat.

“We begonnen te brainstormen, en het viel me op dat het eigenlijk vrij eenvoudig is om gouden nanogeleiders te kweken, die natuurlijk zeer geleidend zijn, ', zegt Timko. "Je kunt ze laten groeien tot een paar micron lang, dat is meer dan genoeg om door de muren van de steiger te gaan.”

Van micrometer tot millimeter

Het team nam als basismateriaal alginaat, een organische gomachtige substantie die vaak wordt gebruikt voor weefselsteigers. Ze vermengden het alginaat met een oplossing met gouden nanodraden om een ​​samengestelde steiger te creëren met miljarden van de kleine metalen structuren die er doorheen lopen.

Vervolgens, ze zaaiden hartcellen op de goud-alginaatcomposiet, het testen van de geleidbaarheid van weefsel dat op het composiet is gegroeid in vergelijking met weefsel dat op zuiver alginaat is gekweekt. Omdat signalen worden geleid door calciumionen in en tussen de cellen, de onderzoekers konden controleren hoe ver signalen reizen door de hoeveelheid calcium in verschillende delen van het weefsel te observeren.

“Kortom, calcium is hoe hartcellen met elkaar praten, dus we labelden de cellen met een calciumindicator en legden de steiger onder de microscoop, ', zegt Timko. Daar, ze observeerden een dramatische verbetering bij cellen die op de samengestelde steiger waren gekweekt:het bereik van de geleiding van signalen verbeterde met ongeveer drie ordes van grootte.

“Bij gezonde, inheems hartweefsel, je hebt het over geleiding over centimeters, ', zegt Timko. Eerder, weefsel gekweekt op zuiver alginaat vertoonde geleiding over slechts een paar honderd micrometer, of duizendsten van een millimeter. Maar de combinatie van alginaat en gouden nanodraden bereikte signaalgeleiding over een schaal van "vele millimeters, ', zegt Timko.

“Het is echt dag en nacht. De prestaties die de steigers hebben met deze nanomaterialen is gewoon veel, veel beter, ', zegt Kohan.

“Het is heel mooi werk, ” zegt Charles Lieber, een professor in de chemie aan de Harvard University. “Ik denk dat de resultaten vrij eenduidig ​​zijn, en zeer opwindend - zowel door fundamenteel te laten zien dat ze de geleidbaarheid van deze steigers hebben verbeterd, en dan hoe dat duidelijk een verschil maakt bij het verbeteren van het collectief afvuren van het hartweefsel.”

De onderzoekers zijn van plan om in vivo studies voort te zetten om te bepalen hoe het samengestelde weefsel functioneert wanneer het in levende harten wordt geïmplanteerd. Afgezien van de gevolgen voor patiënten met een hartaanval, Kohane voegt eraan toe dat het succesvolle experiment "een heleboel deuren opent" voor het ontwerpen van andere soorten weefsels; Lieber is het daarmee eens.

“Ik denk dat andere mensen van dit idee kunnen profiteren voor andere systemen:in andere spiercellen, andere vasculaire constructies, misschien zelfs in neurale systemen, dit is een eenvoudige manier om een ​​grote impact te hebben op de collectieve communicatie van cellen, ', zegt Lieber. "Veel mensen zullen hierop springen."