Cyborg-organoider giver sjældent indblik i tidlige udviklingsstadier

Hvad sker der i de tidlige dage af organudvikling? Hvordan organiserer en lille gruppe celler sig for at blive et hjerte, en hjerne, eller en nyre? Denne kritiske udviklingsperiode har længe forblevet udviklingsbiologiens sorte boks, dels fordi ingen sensor var lille eller fleksibel nok til at observere denne proces uden at beskadige cellerne.

Nu, forskere fra Harvard John A. Paulson School of Engineering and Applied Sciences (SEAS) har dyrket forenklede organer kendt som organoider med fuldt integrerede sensorer. Disse såkaldte cyborg-organoider giver et sjældent indblik i de tidlige stadier af organudvikling.

Forskningen blev offentliggjort i Nano bogstaver .

"Jeg blev så inspireret af den naturlige organudviklingsproces i gymnasiet, hvor 3-D organer starter fra få celler i 2-D strukturer. Jeg tror, ​​at hvis vi kan udvikle nanoelektronik, der er så fleksibel, strækbar, og bløde, så de kan vokse sammen med udviklende væv gennem deres naturlige udviklingsproces, de indlejrede sensorer kan måle hele aktiviteten af ​​denne udviklingsproces, " sagde Jia Liu, Adjunkt i bioingeniør ved SEAS og seniorforfatter til undersøgelsen. "Slutresultatet er et stykke væv med en enhed i nanoskala, der er fuldstændig fordelt og integreret over hele det tredimensionelle volumen af ​​vævet."

Denne type enhed kommer ud af det arbejde, som Liu begyndte som kandidatstuderende i laboratoriet hos Charles M. Lieber, professor ved Joshua og Beth Friedman University. I Liebers laboratorium, Liu udviklede engang fleksibel, mesh-lignende nanoelektronik, der kunne injiceres i specifikke områder af væv.

Bygger på det design, Liu og hans team øgede strækbarheden af ​​nanoelektronikken ved at ændre formen på nettet fra lige linjer til serpentinstrukturer (lignende strukturer bruges i bærbar elektronik). Derefter, holdet overførte mesh nanoelektronikken til et 2-D ark af stamceller, hvor cellerne dækkede og vævede sig sammen med nanoelektronikken via celle-celle tiltrækningskræfter. Da stamcellerne begyndte at forvandle sig til en 3D-struktur, nanoelektronikken rekonfigurerede sig selv sømløst sammen med cellerne, resulterer i fuldt udvoksede 3-D organoider med indlejrede sensorer.

Stamcellerne blev derefter differentieret til kardiomyocytter - hjerteceller - og forskerne var i stand til at overvåge og registrere den elektrofysiologiske aktivitet i 90 dage.

"Denne metode giver os mulighed for løbende at overvåge udviklingsprocessen og forstå, hvordan dynamikken i individuelle celler begynder at interagere og synkroniseres under hele udviklingsprocessen, " sagde Liu. "Det kunne bruges til at forvandle enhver organoid til cyborg organoider, inklusive hjerne- og bugspytkirtelorganoider."

Ud over at hjælpe med at besvare grundlæggende spørgsmål om biologi, cyborg-organoider kan bruges til at teste og overvåge patientspecifikke lægemiddelbehandlinger og potentielt bruges til transplantationer.