Tissue-Engineered Heart komt dichterbij met ingesloten nanodraden

Door kleine elektronische nanodraadsensoren toe te voegen aan gemanipuleerde 3D-weefselstructuren, hebben wetenschappers een manier ontwikkeld om het gedrag van cellen te volgen dat de behandeling van hart- en neurologische aandoeningen zou kunnen bevorderen en de ontwikkeling van door weefsel geconstrueerde harten zou versnellen.
Onderzoekers weten al hoe ze de driedimensionale vorm van gemanipuleerd weefsel moeten controleren: ze laten de cellen groeien op minuscule, sponsachtige steigers. Deze worden vervolgens in patiënten geïmplanteerd of gebruikt om het effect van nieuwe geneesmiddelen in het laboratorium te bestuderen.
En ze zijn ook in staat geweest om elektronische sensoren op te nemen in tweedimensionaal weefsel, gegroeid als platte lagen. Maar deze repliceren niet de ware 3D aard van weefsel.
Nu in een nieuwe Amerikaanse studie die online is gepubliceerd in Natuurmaterialen deze week leggen onderzoekers van MIT, Harvard University en Boston Children's Hospital uit hoe ze deze technologie een stap verder hebben genomen om echt 3D-engineered weefsel ingebed met elektronische sensoren in de onderliggende scaffold te maken.
In een recent persbericht zegt senior auteur Robert Langer, de David H. Koch Institute Professor aan het MIT, dat ze erg enthousiast zijn over de prestatie:
"Het brengt ons een stap dichter bij het ooit creëren van een weefselgericht hart en het laat zien hoe nieuwe nanomaterialen een rol kunnen spelen op dit gebied," zegt Langer.
De sensoren zijn gemaakt van silicium nanodraden en kunnen worden gebruikt om de elektrische activiteit in het weefsel rond de steiger te volgen, zeggen de onderzoekers.
Ze kunnen ook worden gebruikt om de afgifte van geneesmiddelen te beheersen, of om het effect van nieuwe geneesmiddelen te testen, bijvoorbeeld op het kloppen van hartweefsel.

3D Epoxy Scaffold met silicium-nanodraden

De onderzoekers maakten de 3D-stellage van epoxy, een niet-toxisch materiaal, en sloten het in met silicium nanodraden die elektrische signalen naar en van de cellen in de structuur dragen.
De nanodraden zijn tussen de 30 en 80 nanometer dik, wat ongeveer 1.000 keer dunner is dan mensenhaar.
Als de nanodraden eenmaal op hun plaats zijn, wordt de scaffold bezaaid met cellen en het geheel groeit uiteindelijk uit tot 3D-engineered weefsel ingebed met meerdere piepkleine sensoren.
Het team koos silicium voor de nanodraadelektroden omdat ze stabiel, klein genoeg en veilig kunnen worden geïmplanteerd. Ze zijn ook meer elektrisch gevoelig dan metalen draden. Ze kunnen een elektrische activiteit van minder dan een duizendste van een watt detecteren, wat ongeveer het niveau is van een enkele cel.

Monitoring van cellen en bloedvaten

In de Natuurmaterialen papier beschrijven de onderzoekers hoe ze cardiaal, neuraal en spierweefsel groeiden met behulp van hun in elektroden ingebedde steigers.
In het experiment met het hartweefsel werd ook de celrespons op noradrenaline gecontroleerd, een neurotransmitter die door de neuronen van het hart wordt afgegeven om op typische wijze de hartslag te stimuleren.
In een ander experiment gebruikte het team de in nanodraad ingebedde steigers om bloedvaten te laten groeien en toonden aan dat de ingebedde sensoren veranderingen in pH-waarden binnen en buiten de vaten konden volgen.
Het implanteren van een dergelijk apparaat bij patiënten kan artsen helpen ontstekingen en andere biochemische gebeurtenissen te controleren.
De onderzoekers zeggen dat ze weefsel willen manipuleren dat niet alleen elektrische en chemische gebeurtenissen controleert, maar er ook op reageert, bijvoorbeeld door een medicijn vrij te geven.

Zo'n apparaat zou zich gedragen als een gesloten feedbacklus, op een vergelijkbare manier als het autonome zenuwstelsel. Het systeem detecteert een verandering in het lichaam en stuurt als reactie een corrigerende actie.
Gordana Vunjak-Novakovic, hoogleraar biomedische technologie aan Columbia University, zegt dat er een grote behoefte is aan gemanipuleerde cellen die reageren op elektrische prikkels. Het zou bijvoorbeeld een grote stap zijn in de richting van nieuwe manieren om hart- en neurologische aandoeningen te behandelen.
"Dit is een mooi voorbeeld van hoe nano-elektronica kan worden gecombineerd met tissue engineering om het gedrag van cellen te volgen," zegt Vunjak-Novakovic, die niet betrokken was bij het onderzoek.
Het team gaat nu de mechanische eigenschappen van de steiger testen voordat hij verder gaat met dierproeven.
Fondsen van de National Institutes of Health, de McKnight Foundation en het Boston Children's Hospital hebben de studie betaald.
Geschreven door Catharine Paddock PhD