Hjerteceller på laboratoriechippen viser nanosense, der styrer adfærd

Johns Hopkins biomedicinske ingeniører, arbejde med kolleger i Korea, har produceret en laboratoriechip med nanoskopiske riller og kamme, der er i stand til at vokse hjertevæv, der minder mere om naturlig hjertemuskel.

Overraskende nok, hjerteceller dyrket på denne måde brugte en "nanosense" til at indsamle instruktioner til vækst og funktion udelukkende fra de fysiske mønstre på den nanoteksturerede chip og krævede ingen specielle kemiske signaler for at styre vævsudviklingen på forskellige måder. Forskerne siger, at dette værktøj kan bruges til at designe nye terapier eller diagnostiske tests for hjertesygdomme.

Enheden og eksperimenter med den blev beskrevet i denne uges online tidlige udgave af Proceedings of the National Academy of Sciences . Arbejdet, et samarbejde med Seoul National University, repræsenterer et vigtigt fremskridt for forskere, der dyrker celler i laboratoriet for at lære mere om hjertesygdomme og mulige midler.

"Hjertemuskelceller dyrket på den glatte overflade af en petriskål, ville have nogle, men aldrig alle, af de samme fysiologiske egenskaber af et egentligt hjerte i en levende organisme, " sagde Andre Levchenko, en Johns Hopkins lektor i biomedicinsk teknik ved Whiting School of Engineering. "Det er fordi hjertemuskelceller - kardiomyocytter - tager signaler fra den meget strukturerede ekstracellulære matrix, eller ECM, som er et stillads lavet af fibre, der understøtter al vævsvækst hos pattedyr. Disse signaler fra ECM påvirker vævsstruktur og funktion, men når du dyrker celler på en glat overflade i laboratoriet, de fysiske signaler kan mangle. For at løse dette, vi udviklede en chip, hvis overflade og blødhed efterligner ECM. Resultatet var laboratoriedyrket hjertevæv, der mere ligner den ægte vare."

Levchenko tilføjede, at da han og hans kolleger undersøgte det naturlige hjertevæv taget fra et levende dyr, "Vi bemærkede straks, at cellelaget nærmest den ekstracellulære matrix voksede på en meget langstrakt og lineær måde. Cellerne orienterer sig efter fibrenes retning i matrixen, hvilket tyder på, at ECM-fibre giver strukturelle eller funktionelle instruktioner til myokardiet, en generel betegnelse for hjertemusklen." Disse instruktioner, Levchenko sagde, leveres på nanoskalaen, aktivitet i størrelsesordenen en milliarddel af en meter og en tusindedel af bredden af ​​et menneskehår.

Levchenko og hans koreanske kolleger, arbejder med Deok-Ho Kim, en biomedicinsk ingeniørstuderende fra Levchenkos laboratorium og hovedforfatteren til PNAS-artiklen, udviklet en todimensionel hydrogeloverflade, der simulerer stivheden, størrelse og form af de fibre, der findes i et naturligt ECM-netværk. Denne biovenlige overflade lavet af ugiftig polyethylenglycol viser en række lange kanter, der ligner det foldede mønster af bølgepap. Den rillede hydrogel sidder på en glasplade på størrelse med en amerikansk dollarmønt. Holdet lavede en række chips med højderyg, der spænder fra 150 til 800 nanometer, rillebredder fra 50 til 800 nanometer, og højderyg, der varierer fra 200 til 500 nanometer. Dette gjorde det muligt for forskere at kontrollere overfladeteksturen over mere end fem størrelsesordener af længde.

"Vi var glade for at finde ud af, at inden for blot to dage, cellerne blev længere og voksede langs højderyggene på overfladen af ​​rutsjebanen, " sagde Kim. Desuden, forskerne fandt forbedret kobling mellem tilstødende celler, et arrangement, der mere lignede den arkitektur, der findes i naturlige lag af hjertemuskelvæv.

Celler dyrket på glat, umønstrede hydrogeler, imidlertid, forblev mindre og mindre organiseret med dårligere celle-til-celle-kobling mellem lag.

"Det var meget spændende at observere konstruerede hjerteceller opføre sig på en lille chip i to dimensioner, som de ville i det oprindelige hjerte i tre dimensioner, " sagde Kim.

Samarbejde med Leslie Tung, en professor i biomedicinsk teknik ved Johns Hopkins School of Medicine, fandt forskerne ud af, efter et par dage mere med vækst, celler på den nanomønstrede overflade begyndte at lede elektriske bølger og trække sig kraftigt sammen i en bestemt retning, som en intakt hjertemuskel ville.

"Måske mest overraskende, disse vævsfunktioner og strukturen af ​​det konstruerede hjertevæv kunne kontrolleres ved blot at ændre stilladsets egenskaber i nanoskala. Det viser os, at hjerteceller har en akut 'nanosense, " sagde Levchenko.

"Denne følsomhed på nanoskala skyldtes cellernes evne til at deformere ved at klæbe til sprækkerne i den nanoteksturerede overflade og sandsynligvis ikke på grund af tilstedeværelsen af ​​nogen molekylær cue, " sagde Levchenko. "Disse resultater viser, at ECM fungerer som et kraftfuldt signal til cellevækst, samt en bærende struktur, og at den kan styre hjertecellefunktionen på nanoskalaen separat i forskellige dele af dette vitale organ. Ved at efterligne denne ECM-ejendom, vi kunne begynde at designe bedre konstrueret hjertevæv."

Ser frem til, Levchenko forudser, at tekniske overflader med lignende nanoskala-træk i tre dimensioner, i stedet for kun to, kunne give en endnu mere potent måde at kontrollere strukturen og funktionen af ​​dyrket hjertevæv.