Sammensmeltning af bioteknik og elektronik:Forskere dyrker kunstigt væv med indlejrede nanoskalasensorer

Et multi-institutionelt forskerhold har udviklet en metode til at indlejre netværk af biokompatible nanoskala ledninger i konstrueret væv. Disse netværk - som markerer første gang, at elektronik og væv virkelig er blevet fusioneret i 3D - tillader direkte vævsføling og potentielt stimulering, en potentiel velsignelse for udvikling af konstrueret væv, der inkorporerer evner til overvågning og stimulering, og af apparater til screening af nye lægemidler.

Forskerholdet - ledet af Daniel Kohane, MD, PhD, i afdelingen for anæstesi på Boston Children's Hospital; Charles M. Lieber, PhD, på Harvard University; og Robert Langer, ScD, ved Massachusetts Institute of Technology – rapporterede deres arbejde online den 26. august i Naturmaterialer .

En af de største udfordringer ved at udvikle biomanipuleret væv er at skabe systemer til at fornemme, hvad der foregår (f. kemisk, elektrisk) i et væv, efter at det er blevet dyrket og/eller implanteret. Tilsvarende forskere har kæmpet for at udvikle metoder til direkte at stimulere manipuleret væv og måle cellulære reaktioner.

"I kroppen, det autonome nervesystem holder styr på pH, kemi, ilt og andre faktorer, og udløser svar efter behov, "Kohane forklarede. "Vi er nødt til at være i stand til at efterligne den slags iboende feedback-loops, som kroppen har udviklet for at opretholde fin kontrol på celle- og vævsniveau."

Med det autonome nervesystem som inspiration, en postdoc i Kohane-laboratoriet, Bozhi Tian, PhD, og hans samarbejdspartnere byggede mesh-lignende netværk af siliciumtråde i nanoskala - omkring 80 nm i diameter - formet som flade planer eller i en "candy candy"-lignende retikulær konformation. Netværkene var porøse nok til at tillade holdet at så dem med celler og tilskynde disse celler til at vokse i 3D-kulturer.

"Tidligere bestræbelser på at skabe biotekniske sensornetværk har fokuseret på 2D-layouts, hvor kulturceller vokser oven på elektroniske komponenter, eller på konforme layouts, hvor prober er placeret på vævsoverflader, " sagde Tian. "Det er ønskeligt at have et nøjagtigt billede af cellulær adfærd inden for 3D-strukturen af ​​et væv, og det er også vigtigt at have prober i nanoskala for at undgå forstyrrelser af enten cellulær eller vævsarkitektur."

"De nuværende metoder, vi har til at overvåge eller interagere med levende systemer, er begrænsede, " sagde Lieber. "Vi kan bruge elektroder til at måle aktivitet i celler eller væv, men det skader dem. Med denne teknologi, for første gang, vi kan arbejde i samme skala som enheden af ​​det biologiske system uden at afbryde det. Ultimativt, det handler om at fusionere væv med elektronik på en måde, så det bliver svært at afgøre, hvor vævet ender og elektronikken begynder."

"Så langt, dette er det tætteste, vi er kommet på at inkorporere elektroniske komponenter i konstruerede væv nær størrelsen af ​​strukturerne af den ekstracellulære matrix, der omgiver celler i væv, " tilføjede Kohane.

Brug af hjerte- og nerveceller som deres kildemateriale og et udvalg af biokompatible belægninger, holdet konstruerede med succes væv indeholdende indlejrede nanoskala-netværk uden at påvirke cellernes levedygtighed eller aktivitet. Via netværkene, forskerne kunne detektere elektriske signaler genereret af celler dybt inde i det konstruerede væv, samt måle ændringer i disse signaler som reaktion på cardio- eller neurostimulerende lægemidler.

Til sidst, holdet demonstrerede, at de kunne konstruere biokonstruerede blodkar med indlejrede netværk og bruge disse netværk til at måle pH-ændringer inden for og uden for karrene - som man kunne se som reaktion på inflammation, iskæmi og andre biokemiske eller cellulære miljøer.

"Denne teknologi kunne vende nogle grundlæggende principper inden for bioteknologi på hovedet, " sagde Kohane. "Det meste af tiden, for eksempel, dit mål er at skabe stilladser, hvorpå du kan dyrke væv og derefter få disse stilladser nedbrudt og opløst væk. Her, stilladset bliver, og faktisk spiller en aktiv rolle."

Teammedlemmerne ser flere fremtidige applikationer til denne teknologi, fra hybrid biokonstrueret "cyborg"-væv, der registrerer ændringer i kroppen og udløser reaktioner (f.eks. frigivelse af lægemidler, elektrisk stimulering) fra andre implanterede terapeutiske eller diagnostiske anordninger, til udvikling af "lab-on-a-chip" systemer, der ville bruge konstrueret væv til screening af lægemiddelbiblioteker.