Forskere betjener laboratoriedyrkede hjerteceller med fjernbetjening

Forskere ved University of California San Diego School of Medicine og deres samarbejdspartnere har udviklet en teknik, der giver dem mulighed for at fremskynde eller bremse menneskelige hjerteceller, der vokser i en skål på kommando – blot ved at skinne et lys på dem og variere deres intensitet. Cellerne dyrkes på et materiale kaldet grafen, som omdanner lys til elektricitet, giver et mere realistisk miljø end standard laboratorieskåle i plast eller glas.

Metoden, beskrevet i 18. maj-nummeret af Videnskabens fremskridt , kan bruges til en række forsknings- og kliniske anvendelser, herunder:test af terapeutiske lægemidler i mere biologisk relevante systemer, at udvikle brugsspecifikke lægemidler, der er mere præcise og har færre systemiske virkninger, og skabe bedre medicinsk udstyr, såsom lysstyrede pacemakere.

"Da vi først fik dette til at virke i vores laboratorium, pludselig havde vi noget i retning af 20 mennesker samlet omkring, råbe ting som 'umuligt!' og beskylder mig for at pille dem. Vi havde aldrig set noget lignende før " sagde første forfatter Alex Savchenko, Ph.D., en forsker ved Institut for Pædiatri ved UC San Diego School of Medicine og Sanford Consortium for Regenerative Medicine. Savchenko ledede undersøgelsen med Elena Molokanova, Ph.D., CEO for Nanotools Bioscience.

Mens på nogle måder blot er en tyndere version af grafit ("blyantbly"), grafens unikke egenskaber blev først virkelig værdsat relativt for nylig, en indsats anerkendt med 2010 Nobelprisen i fysik, tildelt Andre Geim, Ph.D., og Kostantin Novoselov, Ph.D., begge fysikere ved University of Manchester i Storbritannien. Grafen er et halvmetal, der består af et gitterværk af kulstofatomer, det samme element, der danner grundlaget for alle levende organismer. En del af det, der gør grafen speciel, er dens evne til effektivt at omdanne lys til elektricitet. I modsætning, glas og plastik er isolatorer - de leder ikke elektricitet. Det meste af biomedicinsk forskning bygger på individuelle celler eller cellekulturer dyrket i petriskåle af plast eller på glasplader.

"Alligevel i din krop, du ser ikke mange overflader, der fungerer som plastik eller glas, " sagde Savchenko. "I stedet, vi er ledende. Vores hjerter er ekstremt gode til at lede elektricitet. I hjernen, det er elektrisk ledningsevne, der giver mig mulighed for at tænke og tale på samme tid."

Savchenko, Molokanova og andre forskere har bemærket, at celler i laboratoriet vokser bedre på grafen end andre materialer, og opfører sig mere som celler gør i kroppen. Savchenko og Molokanova krediterer deres baggrund i fysik for at hjælpe dem med at se på biologiske systemer lidt anderledes end de fleste.

I dette studie, forskerne genererede hjerteceller fra donerede hudceller, via en intermediær celletype kaldet en induceret pluripotent stamcelle (iPSC). Derefter dyrkede de disse iPSC-afledte hjerteceller på en grafenoverflade.

Savchenko sagde, at det tog holdet et stykke tid at finde frem til den optimale grafenbaserede formulering. Så skulle de finde den bedste lyskilde og måde at levere det lys til grafen-cellesystemet. Men de fandt til sidst en måde at præcist kontrollere, hvor meget elektricitet grafenen genererede ved at variere intensiteten af ​​det lys, som de udsatte det for.

"Vi var overraskede over graden af ​​fleksibilitet, at grafen tillader dig at pace celler bogstaveligt talt efter behag, " sagde Savchenko. "Vil du have dem til at slå dobbelt så hurtigt? Intet problem – du øger bare lysintensiteten. Tre gange hurtigere? Intet problem - øg lys- eller grafendensiteten."

Savchenko og kolleger fandt ud af, at de ligeledes kunne kontrollere hjerteaktivitet i en levende organisme (zebrafiskembryoner) ved hjælp af lys og spredt grafen.

Holdet var også overrasket over fraværet af toksicitet, hvilket ofte stiller forskere over for en kæmpe udfordring. "Normalt, hvis du introducerer et nyt materiale i biologi, du ville forvente at se et vist antal celler dræbt i processen, " sagde Savchenko. "Men vi så ikke noget af det. Det gør os håbefulde, at vi vil være i stand til at undgå skadelige problemer senere, som vi tester forskellige medicinske applikationer."

Forskerne er begejstrede for de mange mulige anvendelser for dette nye grafen/lys-system. En potentiel anvendelse er i lægemiddelscreening. I øjeblikket, forskere bruger robotteknologi til at teste hundredtusindvis af kemiske forbindelser, screene dem for deres evner til at ændre en celles adfærd. De forbindelser, der har den ønskede effekt, undersøges yderligere for deres potentiale som et nyt terapeutisk lægemiddel. Imidlertid, mange gavnlige forbindelser kan gå glip af, fordi deres virkninger ikke umiddelbart er synlige i den tilstand, hvori testcellerne dyrkes - på plastik, uden for sygdomssammenhæng.

For eksempel, forskere kan teste lægemidler på hjerteceller dyrket i en standard laboratorieskål. Men de celler trækker sig sammen i deres eget tempo, ikke modellere de forhold, der kunne eksistere lige før en person får et hjerteanfald. Lægemidlerne, de tester på disse celler, ser måske ikke ud til at gøre noget, hvis de er brugsafhængige - hvilket betyder, at stofferne kun har en effekt under visse forhold.

For at teste denne applikation, holdet tilføjede mexiletine, en medicin, der bruges til at behandle uregelmæssige hjerteslag (arytmier), til deres hjerteceller. Mexiletin er kendt for at være brugsafhængig - det har kun en effekt, når der er en stigning i hjertefrekvensen, som opstår under en arytmi. Forskerne belyste deres hjerteceller på grafen med lys af forskellig intensitet. Jo hurtigere de fik hjertecellerne til at slå, jo bedre mexiletin hæmmede dem.

For nu, holdet er fokuseret på hjerteceller og neuroner. Men de er interesserede i til sidst at anvende deres grafen/lys-system til at søge efter lægemidler, der specifikt dræber kræftceller, mens de lader sunde celler være i fred. Forskerne forestiller sig også at bruge grafen til at finde opioidalternativer - brugsafhængige smertestillende medicin, der kun virker, når og hvor en person har smerter, dermed reducere systemiske effekter, end der kan føre til misbrug og afhængighed. Endelig, Savchenko mener, at lyskontrollerede pacemakere lavet af grafen kan være sikrere og mere effektive end nuværende modeller.

Der er meget arbejde at gøre, men Savchenko er optimistisk. "Du kan presse et halvt års dyreforsøg ind i en dag med eksperimenter med dette grafen-baserede system, " han sagde.