Onderzoekers van de San Diego School of Medicine van de Universiteit van Californië en hun medewerkers hebben een techniek ontwikkeld waarmee ze menselijke hartcellen die op commando in een schaal groeien, kunnen versnellen of vertragen, simpelweg door er een licht op te laten schijnen en de intensiteit ervan te variëren. De cellen worden gekweekt op een materiaal dat grafeen wordt genoemd, die licht omzet in elektriciteit, biedt een meer realistische omgeving dan standaard plastic of glazen laboratoriumschalen.

De methode, beschreven in het nummer van 18 mei van wetenschappelijke vooruitgang , kan worden gebruikt voor een aantal onderzoeks- en klinische toepassingen, waaronder:het testen van therapeutische geneesmiddelen in meer biologisch relevante systemen, het ontwikkelen van gebruiksspecifieke medicijnen die nauwkeuriger zijn en minder systemische effecten hebben, en het creëren van betere medische hulpmiddelen, zoals lichtgestuurde pacemakers.

"Toen we dit voor het eerst aan het werk kregen in ons lab, plotseling hadden we zo'n 20 mensen die zich verzamelden, dingen roepen als 'Onmogelijk!' en me ervan te beschuldigen ze voor de gek te houden. Zoiets hadden we nog nooit gezien, " zei eerste auteur Alex Savchenko, doctoraat, een onderzoekswetenschapper bij de afdeling Kindergeneeskunde van de UC San Diego School of Medicine en het Sanford Consortium for Regenerative Medicine. Savchenko leidde de studie met Elena Molokanova, doctoraat, CEO van Nanotools Bioscience.

Hoewel in sommige opzichten gewoon een dunnere versie van grafiet ("potlood"), de unieke eigenschappen van grafeen werden pas relatief recent echt gewaardeerd, een inspanning erkend met de 2010 Nobelprijs voor de natuurkunde, toegekend aan André Geim, doctoraat, en Kostantin Novoselov, doctoraat, beide natuurkundigen aan de Universiteit van Manchester in het Verenigd Koninkrijk. Grafeen is een halfmetaal dat bestaat uit een rooster van koolstofatomen, hetzelfde element dat de basis vormt van alle levende organismen. Een deel van wat grafeen speciaal maakt, is het vermogen om licht efficiënt om te zetten in elektriciteit. In tegenstelling tot, glas en plastic zijn isolatoren - ze geleiden geen elektriciteit. Het meeste biomedische onderzoek steunt op individuele cellen of celculturen die in plastic petrischalen of op glasplaten worden gekweekt.

"Toch in je lichaam, je ziet niet veel oppervlakken die zich gedragen als plastic of glas, ' zei Savchenko. 'In plaats daarvan, we zijn geleidend. Ons hart is buitengewoon goed in het geleiden van elektriciteit. In de hersenen, het is elektrische geleiding waardoor ik tegelijkertijd kan denken en praten."

Savchenko, Molokanova en andere onderzoekers hebben opgemerkt dat cellen in het laboratorium beter groeien op grafeen dan andere materialen, en gedragen zich meer als cellen in het lichaam. Savchenko en Molokanova danken hun achtergrond in de natuurkunde omdat ze hen hebben geholpen om op een andere manier naar biologische systemen te kijken dan de meeste anderen.

In dit onderzoek, de onderzoekers genereerden hartcellen uit gedoneerde huidcellen, via een intermediair celtype dat een geïnduceerde pluripotente stamcel (iPSC) wordt genoemd. Vervolgens groeiden ze deze van iPSC afgeleide hartcellen op een grafeenoppervlak.

Savchenko zei dat het team even nodig had om de optimale op grafeen gebaseerde formulering vast te stellen. Daarna moesten ze de beste lichtbron en manier vinden om dat licht aan het grafeencelsysteem te leveren. Maar uiteindelijk vonden ze een manier om precies te bepalen hoeveel elektriciteit het grafeen opwekte door de intensiteit van het licht waaraan ze het blootstelden te variëren.

"We waren verrast door de mate van flexibiliteit, dat grafeen je in staat stelt cellen letterlijk naar believen af ​​te stemmen, ' zei Savchenko. 'Wil je dat ze twee keer zo snel verslaan? Geen probleem, je verhoogt gewoon de lichtintensiteit. Drie keer sneller? Geen probleem:verhoog de dichtheid van licht of grafeen."

Savchenko en collega's ontdekten dat ze ook de hartactiviteit in een levend organisme (zebravisembryo's) konden beheersen met behulp van licht en verspreid grafeen.

Het team was ook verrast door de afwezigheid van toxiciteit, wat onderzoekers vaak voor een enorme uitdaging stelt. "Normaal gesproken, als je een nieuw materiaal in de biologie introduceert, je zou verwachten dat er een bepaald aantal cellen wordt gedood tijdens het proces, ' zei Savchenko. 'Maar daar hebben we niets van gezien. Het stemt ons hoopvol dat we later schadelijke problemen kunnen vermijden, terwijl we verschillende medische toepassingen testen."

De onderzoekers zijn enthousiast over de vele mogelijke toepassingen van dit nieuwe grafeen/lichtsysteem. Een mogelijk gebruik is bij het screenen van geneesmiddelen. Momenteel, onderzoekers gebruiken robottechnologie om honderdduizenden chemische verbindingen te testen, ze screenen op hun vermogen om het gedrag van een cel te veranderen. Die verbindingen die het gewenste effect hebben, worden verder onderzocht op hun potentieel als nieuw therapeutisch medicijn. Echter, veel nuttige verbindingen kunnen worden gemist omdat hun effecten niet meteen duidelijk zijn in de toestand waarin de testcellen worden gekweekt - op plastic, buiten de ziektecontext.

Bijvoorbeeld, onderzoekers kunnen medicijnen testen op hartcellen die zijn gekweekt in een standaard plastic laboratoriumschaal. Maar die cellen krimpen in hun eigen tempo, niet modelleren van de omstandigheden die kunnen bestaan ​​vlak voordat een persoon een hartaanval krijgt. De medicijnen die ze op die cellen testen, lijken misschien niets te doen als ze gebruiksafhankelijk zijn - wat betekent dat de medicijnen alleen onder bepaalde omstandigheden effect hebben.

Om deze applicatie te testen, het team voegde mexiletine toe, een medicijn dat wordt gebruikt om een ​​onregelmatige hartslag (aritmieën) te behandelen, naar hun hartcellen. Mexiletine staat bekend als gebruiksafhankelijk - het heeft alleen effect bij een verhoging van de hartslag, zoals optreedt tijdens een aritmie. De onderzoekers belichtten hun hartcellen op grafeen met licht van verschillende intensiteiten. Hoe sneller ze de hartcellen lieten kloppen, de betere mexiletine remde hen.

Voor nu, het team is gericht op hartcellen en neuronen. Maar ze zijn geïnteresseerd in het uiteindelijk toepassen van hun grafeen/lichtsysteem om te zoeken naar medicijnen die specifiek kankercellen doden, terwijl je gezonde cellen met rust laat. De onderzoekers stellen zich ook het gebruik van grafeen voor om opioïde alternatieven te vinden - gebruiksafhankelijke pijnstillers die alleen werken wanneer en waar een persoon pijn heeft, waardoor systemische effecten worden verminderd die tot misbruik en verslaving kunnen leiden. Eindelijk, Savchenko gelooft dat lichtgestuurde pacemakers gemaakt van grafeen veiliger en effectiever kunnen zijn dan de huidige modellen.

Er is veel werk te doen, maar Savchenko is optimistisch. "Je kunt met dit op grafeen gebaseerde systeem een ​​half jaar dierproeven in een dag vol experimenten proppen. " hij zei.