Een multi-institutioneel onderzoeksteam heeft een methode ontwikkeld voor het inbedden van netwerken van biocompatibele nanoschaaldraden in gemanipuleerde weefsels. Deze netwerken - die de eerste keer zijn dat elektronica en weefsel echt zijn samengevoegd in 3D - maken directe weefseldetectie en mogelijk stimulatie mogelijk, een potentiële zegen voor de ontwikkeling van gemanipuleerde weefsels met mogelijkheden voor monitoring en stimulatie, en van apparaten voor het screenen van nieuwe medicijnen.

Het onderzoeksteam, geleid door Daniel Kohane, MD, doctoraat, op de afdeling Anesthesie van het Boston Children's Hospital; Charles M. Lieber, doctoraat, aan de Harvard-universiteit; en Robert Langer, scD, aan het Massachusetts Institute of Technology - rapporteerden hun werk online op 26 augustus in Natuurmaterialen .

Een van de grootste uitdagingen bij het ontwikkelen van biotechnologische weefsels is het creëren van systemen om te voelen wat er aan de hand is (bijv. chemisch, elektrisch) in een weefsel nadat het is gegroeid en/of geïmplanteerd. evenzo, onderzoekers hebben geworsteld om methoden te ontwikkelen om gemanipuleerde weefsels direct te stimuleren en cellulaire reacties te meten.

"In het lichaam, het autonome zenuwstelsel houdt de pH bij, scheikunde, zuurstof en andere factoren, en triggert reacties als dat nodig is, " legde Kohane uit. "We moeten in staat zijn om het soort intrinsieke feedbacklussen na te bootsen dat het lichaam heeft ontwikkeld om de fijne controle op cellulair en weefselniveau te behouden."

Met het autonome zenuwstelsel als inspiratie, een postdoctoraal onderzoeker in het Kohane-lab, Bozhi Tian, doctoraat, en zijn medewerkers bouwden gaasachtige netwerken van siliciumdraden op nanoschaal - ongeveer 80 nm in diameter - in de vorm van platte vlakken of in een "suikerspin"-achtige reticulaire conformatie. De netwerken waren poreus genoeg om het team in staat te stellen ze met cellen te zaaien en die cellen aan te moedigen om in 3D-culturen te groeien.

"Eerdere pogingen om biotechnologische detectienetwerken te creëren, waren gericht op 2D-lay-outs, waar kweekcellen bovenop elektronische componenten groeien, of op conforme lay-outs waar sondes op weefseloppervlakken worden geplaatst, "zei Tian. "Het is wenselijk om een ​​nauwkeurig beeld te hebben van cellulair gedrag binnen de 3D-structuur van een weefsel, en het is ook belangrijk om sondes op nanoschaal te hebben om verstoring van de cellulaire of weefselarchitectuur te voorkomen."

"De huidige methoden die we hebben voor het bewaken van of interactie met levende systemen zijn beperkt, " zei Lieber. "We kunnen elektroden gebruiken om activiteit in cellen of weefsel te meten, maar dat beschadigt ze. Met deze technologie, Voor de eerste keer, we kunnen op dezelfde schaal werken als de eenheid van het biologische systeem zonder het te onderbreken. uiteindelijk, dit gaat over het samenvoegen van weefsel met elektronica op een manier dat het moeilijk wordt om te bepalen waar het weefsel eindigt en de elektronica begint."

"Zo ver, dit komt het dichtst in de buurt bij het inbouwen van elektronische componenten in gemanipuleerde weefsels, bijna zo groot als de structuren van de extracellulaire matrix die cellen in weefsels omringt, " voegde Kohan toe.

Met behulp van hart- en zenuwcellen als hun bronmateriaal en een selectie van biocompatibele coatings, het team heeft met succes weefsels ontwikkeld die ingebedde netwerken op nanoschaal bevatten zonder de levensvatbaarheid of activiteit van de cellen te beïnvloeden. Via de netwerken, de onderzoekers konden elektrische signalen detecteren die werden gegenereerd door cellen diep in de gemanipuleerde weefsels, evenals veranderingen in die signalen meten als reactie op cardio- of neurostimulerende medicijnen.

als laatste, het team toonde aan dat ze biotechnologische bloedvaten konden bouwen met ingebedde netwerken en die netwerken konden gebruiken om pH-veranderingen binnen en buiten de bloedvaten te meten - zoals zou worden gezien als reactie op ontstekingen, ischemie en andere biochemische of cellulaire omgevingen.

"Deze technologie zou enkele basisprincipes van bio-engineering op hun kop kunnen zetten, " zei Kohane. "Meestal, bijvoorbeeld, je doel is om steigers te maken waarop weefsels kunnen groeien en die steigers vervolgens te laten degraderen en oplossen. Hier, de steiger blijft, en daadwerkelijk een actieve rol speelt."

De teamleden zien meerdere toekomstige toepassingen voor deze technologie, van hybride bioengineered "cyborg" weefsels die veranderingen in het lichaam waarnemen en reacties uitlokken (bijv. medicijnafgifte, elektrische stimulatie) van andere geïmplanteerde therapeutische of diagnostische apparaten, aan de ontwikkeling van "lab-on-a-chip"-systemen die gemanipuleerde weefsels zouden gebruiken voor het screenen van geneesmiddelenbibliotheken.