Nanorør hjælper helbredende hjerter med at holde rytmen

(Phys.org) — Carbon nanorør tjener som broer, der tillader elektriske signaler at passere uhindret gennem nye pædiatriske hjertedefektplastre, der er opfundet på Rice University og Texas Children's Hospital.

Et team ledet af bioingeniør Jeffrey Jacot og kemiingeniør og kemiker Matteo Pasquali skabte plastrene tilsat ledende enkeltvæggede kulstofnanorør. Plastrene er lavet af et svampelignende biostillads, der indeholder mikroskopiske porer og efterligner kroppens ekstracellulære matrix.

Nanorørene overvinder en begrænsning af strømpletter, hvor porevægge hindrer overførslen af ​​elektriske signaler mellem kardiomyocytter, hjertemusklens bankende celler, som tager bolig i plasteret og til sidst erstatter det med ny muskel.

Værket vises i denne måned i tidsskriftet American Chemical Society ACS Nano . Forskerne sagde, at deres opfindelse kunne tjene som et plaster i fuld tykkelse til at reparere defekter på grund af Tetralogy of Fallot, atrielle og ventrikulære septumdefekter og andre defekter uden risiko for at inducere unormale hjerterytmer.

De originale plastre skabt af Jacots laboratorium består primært af hydrogel og chitosan, et meget brugt materiale lavet af skaller fra rejer og andre krebsdyr. Plastret er fastgjort til en polymerrygrad, der kan holde en søm og holde den på plads for at dække et hul i hjertet. Porerne tillader naturlige celler at invadere plasteret, som nedbrydes, efterhånden som cellerne danner deres egne netværk. Plastret, inklusive rygraden, nedbrydes på uger eller måneder, da det erstattes af naturligt væv.

Forskere ved Rice og andre steder har fundet ud af, at når først celler indtager deres plads i pletterne, de har svært ved at synkronisere med resten af ​​det bankende hjerte, fordi stilladset dæmper elektriske signaler, der går fra celle til celle. Det midlertidige tab af signaltransduktion resulterer i arytmier.

Nanorør kan ordne det, og Jacot, som har en fælles aftale hos Rice og Texas Children's, udnyttede det omgivende forskningssamarbejde.

"Dette stammede fra at snakke med Dr. Pasqualis laboratorium samt interventionelle kardiologer i Texas Medical Center, " sagde Jacot. "Vi har ledt efter en måde at få bedre celle-til-celle-kommunikation og koncentrerede os om hastigheden af ​​elektrisk ledning gennem plasteret. Vi troede, at nanorør nemt kunne integreres."

Nanorør forbedrer den elektriske kobling mellem celler, der invaderer plasteret, hjælper dem med at holde trit med hjertets konstante slag. "Når celler først udfylder en patch, deres forbindelser er umodne sammenlignet med naturligt væv, " sagde Jacot. Det isolerende stillads kan forsinke celle-til-celle-signalet yderligere, men nanorørene går en vej rundt om forhindringerne.

Jacot sagde, at den relativt lave koncentration af nanorør - 67 ppm i de plastre, der testede bedst - er nøglen. Tidligere forsøg på at bruge nanorør i hjerteplastre brugte meget større mængder og forskellige metoder til at sprede dem.

Jacots laboratorium fandt en komponent, de allerede brugte i deres plastre – chitosan – holder nanorørene spredt ud. "Kitosan er amfifil, hvilket betyder at det har hydrofobe og hydrofile dele, så det kan forbindes med nanorør (som er hydrofobe) og forhindre dem i at klumpe sig. Det er det, der giver os mulighed for at bruge meget lavere koncentrationer, end andre har prøvet."

Fordi toksiciteten af ​​kulstofnanorør i biologiske applikationer forbliver et åbent spørgsmål, Pasquali sagde, jo færre man bruger, des bedre. "Vi ønsker at blive ved nedsivningsgrænsen, og komme til det med færrest mulige nanorør, " sagde han. "Vi kan gøre dette, hvis vi kontrollerer spredningen godt og bruger nanorør af høj kvalitet."

Plastrene starter som en væske. Når nanorør tilføjes, blandingen rystes gennem sonikering for at sprede rørene, som ellers ville klumpe, på grund af van der Waals attraktion. Klumpning kan have været et problem for eksperimenter, der brugte højere nanorørkoncentrationer, sagde Pasquali.

Materialet centrifugeres i en centrifuge for at fjerne herreløse klumper og formes til tynde, fingernegle-store diske med en biologisk nedbrydelig polycaprolacton-rygrad, der gør det muligt at sy plasteret på plads. Frysetørring indstiller størrelsen på diskenes porer, som er store nok til, at naturlige hjerteceller kan infiltrere og til at næringsstoffer og affald kan passere igennem.

Som en sidegevinst, nanorør gør også pletterne stærkere og sænker deres tendens til at svulme op, mens de giver et håndtag til præcist at justere deres nedbrydningshastighed, give hjerter nok tid til at erstatte dem med naturligt væv, sagde Jacot.

"Hvis der er et hul i hjertet, et plaster skal tage den fulde mekaniske belastning, " sagde han. "Det kan ikke nedbrydes for hurtigt, men det kan heller ikke nedbrydes for langsomt, fordi det ville ende med at blive til arvæv. Det vil vi gerne undgå«.

Pasquali bemærkede, at Rices nanoteknologiske ekspertise og Texas Medical Center-medlemskab giver stor synergi. "Dette er et godt eksempel på, hvordan det er meget bedre for en applikationsperson som Dr. Jacot at arbejde med eksperter, der ved, hvordan man håndterer nanorør, i stedet for at prøve at gå solo, som mange gør, " sagde han. "Vi ender med en meget bedre kontrol med materialet. Det modsatte er også sandt, selvfølgelig, og at arbejde med ledere inden for det biomedicinske område kan virkelig accelerere vejen til adoption af disse nye materialer."