Wat gebeurt er in de begindagen van de orgaanontwikkeling? Hoe organiseert een kleine groep cellen om een ​​hart te worden, een brein, of een nier? Deze kritieke periode van ontwikkeling is lang de zwarte doos van de ontwikkelingsbiologie gebleven, deels omdat geen enkele sensor klein of flexibel genoeg was om dit proces te observeren zonder de cellen te beschadigen.

Nutsvoorzieningen, onderzoekers van de Harvard John A. Paulson School of Engineering and Applied Sciences (SEAS) hebben vereenvoudigde organen ontwikkeld die bekend staan ​​als organoïden met volledig geïntegreerde sensoren. Deze zogenaamde cyborg-organoïden bieden een zeldzame blik in de vroege stadia van orgaanontwikkeling.

Het onderzoek is gepubliceerd in Nano-letters .

"Ik was zo geïnspireerd door het natuurlijke orgaanontwikkelingsproces op de middelbare school, waarin 3D-organen uitgaan van enkele cellen in 2D-structuren. Ik denk dat als we nano-elektronica kunnen ontwikkelen die zo flexibel is, rekbaar, en zacht dat ze door hun natuurlijke ontwikkelingsproces samen kunnen groeien met zich ontwikkelend weefsel, de ingebouwde sensoren kunnen de volledige activiteit van dit ontwikkelingsproces meten, " zei Jia Liu, Universitair docent Bioengineering bij SEAS en senior auteur van de studie. "Het eindresultaat is een stuk weefsel met een apparaat op nanoschaal dat volledig is verdeeld en geïntegreerd over het volledige driedimensionale volume van het weefsel."

Dit type apparaat komt voort uit het werk dat Liu begon als een afgestudeerde student in het laboratorium van Charles M. Lieber, de Joshua en Beth Friedman Universiteitshoogleraar. In het lab van Lieber, Liu ontwikkelde ooit flexibel, mesh-achtige nano-elektronica die in specifieke weefselgebieden kan worden geïnjecteerd.

Voortbouwend op dat ontwerp, Liu en zijn team verhoogden de rekbaarheid van de nano-elektronica door de vorm van het gaas te veranderen van rechte lijnen in kronkelige structuren (vergelijkbare structuren worden gebruikt in draagbare elektronica). Vervolgens, het team bracht de mesh-nano-elektronica over op een 2D-blad van stamcellen, waar de cellen de nano-elektronica bedekten en ermee verweven zijn via cel-cel aantrekkingskrachten. Toen de stamcellen begonnen te veranderen in een 3D-structuur, de nano-elektronica herconfigureerde zichzelf naadloos samen met de cellen, resulterend in volgroeide 3D-organoïden met ingebouwde sensoren.

De stamcellen werden vervolgens gedifferentieerd tot cardiomyocyten - hartcellen - en de onderzoekers konden de elektrofysiologische activiteit 90 dagen volgen en registreren.

"Deze methode stelt ons in staat om het ontwikkelingsproces continu te volgen en te begrijpen hoe de dynamiek van individuele cellen gedurende het hele ontwikkelingsproces op elkaar inwerken en synchroniseren, " zei Liu. "Het kan worden gebruikt om elke organoïde in cyborg-organoïden te veranderen, inclusief hersen- en pancreasorganoïden."

Naast het helpen beantwoorden van fundamentele vragen over biologie, cyborg-organoïden zouden kunnen worden gebruikt om patiëntspecifieke medicamenteuze behandelingen te testen en te controleren en mogelijk te worden gebruikt voor transplantaties.