Et hjerte af guld:Bedre vævsreparation efter hjerteanfald (opdatering)

Et team af forskere ved MIT og Children's Hospital Boston har bygget hjerteplaster, der er besat med bittesmå guldtråde, der kan bruges til at skabe stykker væv, hvis celler alle slår i tide, efterligner dynamikken i den naturlige hjertemuskel. Udviklingen kan en dag hjælpe mennesker, der har fået hjerteanfald.

Studiet, rapporterede denne uge i Naturnanoteknologi , lover at forbedre de eksisterende hjerteplaster, som har svært ved at opnå det ledningsevne, der er nødvendigt for at sikre en jævn, kontinuerligt "slag" gennem et stort stykke væv.

”Hjertet er et elektrisk ret sofistikeret stykke maskiner, ”Siger Daniel Kohane, en professor i Harvard-MIT Division of Health Sciences and Technology (HST) og seniorforfatter af papiret. ”Det er vigtigt, at cellerne slår sammen, eller vævet fungerer ikke korrekt. ”

Den unikke nye tilgang bruger guld nanotråde spredt blandt hjerteceller, når de vokser in vitro, en teknik, der “markant forbedrer hjerteplasterets ydeevne, ”Siger Kohane. Forskerne mener, at teknologien i sidste ende kan resultere i implanterbare plaster for at erstatte væv, der er blevet beskadiget i et hjerteanfald.

Co-første forfattere af undersøgelsen er MIT postdoc Brian Timko og tidligere MIT postdoc Tal Dvir, nu på Tel Aviv University i Israel; andre forfattere er deres kolleger fra HST, Children's Hospital Boston og MIT's Department of Chemical Engineering, herunder Robert Langer, David H. Koch Institute Professor.

Ka-thump, ka-dunk

For at bygge nyt væv, biologiske ingeniører bruger typisk miniaturestilladser, der ligner porøse svampe, til at organisere celler i funktionelle former, når de vokser. Traditionelt set imidlertid, disse stilladser er fremstillet af materialer med dårlig elektrisk ledningsevne - og til hjerteceller, som er afhængige af elektriske signaler for at koordinere deres sammentrækning, det er et stort problem.

”I særdeleshed for hjertemyocytter, du har brug for et godt kryds mellem cellerne for at få signalledning, ”Siger Timko. Men stilladset fungerer som en isolator, blokerer signaler fra at rejse meget ud over en celles nærmeste naboer, og gør det næsten umuligt at få alle cellerne i vævet til at slå sammen som en enhed.

For at løse problemet, Timko og Dvir udnyttede deres komplementære baggrunde - Timkos i halvledende nanotråde, Dvir er inden for hjerte-vævsteknik-til at designe et helt nyt stilladsmateriale, der ville tillade elektriske signaler at passere igennem.

”Vi begyndte at brainstorme, og det gik op for mig, at det faktisk er ret let at dyrke nanoledere af guld, som selvfølgelig er meget ledende, ”Siger Timko. "Du kan få dem til at være et par mikron lange, hvilket er mere end nok til at passere gennem stilladsets vægge. ”

Fra mikrometer til millimeter

Holdet tog som basismateriale alginat, et organisk tyggegummi-lignende stof, der ofte bruges til vævsstilladser. De blandede alginatet med en opløsning indeholdende guld -nanotråde for at skabe et sammensat stillads med milliarder af de bittesmå metalkonstruktioner, der løber igennem det.

Derefter, de podede hjerteceller på guldalginatkompositten, afprøvning af ledningsevne af væv dyrket på kompositten sammenlignet med væv dyrket på rent alginat. Fordi signaler ledes af calciumioner i og blandt cellerne, forskerne kunne kontrollere, hvor langt signaler bevæger sig ved at observere mængden af ​​calcium til stede i forskellige områder af vævet.

"Grundlæggende calcium er, hvordan hjerteceller taler til hinanden, så vi mærkede cellerne med en calciumindikator og satte stilladset under mikroskopet, ”Siger Timko. Der, de observerede en dramatisk forbedring blandt celler dyrket på det sammensatte stillads:Omfanget af signalledning blev forbedret med omkring tre størrelsesordener.

"I sunde, indfødt hjertevæv, du taler om ledning over centimeter, ”Siger Timko. Tidligere har væv dyrket på rent alginat viste ledning over kun et par hundrede mikrometer, eller tusindedele af en millimeter. Men kombinationen af ​​alginat og guld nanotråde opnåede signalledning over en skala på "mange millimeter, ”Siger Timko.

”Det er virkelig nat og dag. Ydeevnen, som stilladserne har med disse nanomaterialer, er bare meget, meget bedre, ”Siger Kohane.

”Det er meget smukt arbejde, ”Siger Charles Lieber, professor i kemi ved Harvard University. ”Jeg synes, at resultaterne er ret entydige, og meget spændende - både ved at vise fundamentalt, at de har forbedret ledningsevnen for disse stilladser, og derefter hvordan det klart gør en forskel i at styrke den kollektive affyring af hjertevævet. ”

Forskerne planlægger at fortsætte undersøgelser in vivo for at bestemme, hvordan det sammensatte dyrkede væv fungerer, når det implanteres i levende hjerter. Bortset fra konsekvenserne for hjerteanfaldspatienter, Kohane tilføjer, at det vellykkede eksperiment "åbner en masse døre" til konstruktion af andre typer væv; Lieber er enig.

”Jeg tror, ​​at andre mennesker kan drage fordel af denne idé til andre systemer:I andre muskelceller, andre vaskulære konstruktioner, måske endda i neurale systemer, dette er en enkel måde at få stor indflydelse på den kollektive kommunikation af celler, ”Siger Lieber. "Mange mennesker vil hoppe på dette."