Johns Hopkins biomedicinska ingenjörer, arbeta med kollegor i Korea, har producerat ett laboratoriechip med nanoskopiska spår och åsar som kan växa hjärtvävnad som mer liknar naturlig hjärtmuskel.

Förvånande, hjärtceller odlade på detta sätt använde en "nanosense" för att samla in instruktioner för tillväxt och funktion enbart från de fysiska mönstren på det nanotexturerade chippet och krävde inga speciella kemiska signaler för att styra vävnadens utveckling på distinkta sätt. Forskarna säger att detta verktyg kan användas för att designa nya terapier eller diagnostiska tester för hjärtsjukdom.

Enheten och experiment som använder den beskrevs i veckans online-tidiga upplaga av Proceedings of the National Academy of Sciences . Arbetet, ett samarbete med Seoul National University, representerar ett viktigt framsteg för forskare som odlar celler i labbet för att lära sig mer om hjärtsjukdomar och möjliga botemedel.

"Hjärtmuskelceller odlade på den släta ytan av en petriskål, skulle äga några, men aldrig alla, av samma fysiologiska egenskaper hos ett verkligt hjärta i en levande organism, sa Andre Levchenko, en Johns Hopkins docent i biomedicinsk teknik vid Whiting School of Engineering. "Det beror på att hjärtmuskelceller - kardiomyocyter - tar ledtrådar från den mycket strukturerade extracellulära matrisen, eller ECM, som är en ställning gjord av fibrer som stödjer all vävnadstillväxt hos däggdjur. Dessa signaler från ECM påverkar vävnadsstruktur och funktion, men när du odlar celler på en slät yta i labbet, de fysiska signalerna kan saknas. För att ta itu med detta, vi utvecklade ett chip vars yta och mjukhet efterliknar ECM. Resultatet var labbodlad hjärtvävnad som mer liknar den äkta varan."

Levchenko tillade att när han och hans kollegor undersökte den naturliga hjärtvävnaden som tagits från ett levande djur, "vi märkte omedelbart att cellskiktet närmast den extracellulära matrisen växte på ett mycket långsträckt och linjärt sätt. Cellerna orienterar sig i riktningen för fibrerna i matrisen, vilket tyder på att ECM-fibrer ger strukturella eller funktionella instruktioner till myokardiet, en allmän term för hjärtmuskeln." Dessa instruktioner, Levchenko sa, levereras på nanoskala, aktivitet i en skala av en miljarddels meter och en tusendel av ett människohårs bredd.

Levchenko och hans koreanska kollegor, arbetar med Deok-Ho Kim, en biomedicinsk ingenjörsdoktorand från Levchenkos labb och huvudförfattaren till PNAS-artikeln, utvecklat en tvådimensionell hydrogelyta som simulerar styvheten, storlek och form på fibrerna som finns i ett naturligt ECM-nätverk. Denna biovänliga yta gjord av giftfri polyetylenglykol har en rad långa åsar som liknar det vikta mönstret av wellpapp. Den räfflade hydrogelen sitter på en glasskiva ungefär lika stor som ett mynt i US-dollar. Teamet tillverkade en mängd olika chips med åsbredder som spänner från 150 till 800 nanometer, spårbredder från 50 till 800 nanometer, och åshöjder varierande från 200 till 500 nanometer. Detta gjorde det möjligt för forskare att kontrollera ytstrukturen över mer än fem storleksordningar av längd.

"Vi var glada att konstatera att inom bara två dagar, cellerna blev längre och växte längs åsarna på rutschkanans yta, " sa Kim. Dessutom, forskarna fann förbättrad koppling mellan intilliggande celler, ett arrangemang som mer liknade den arkitektur som finns i naturliga lager av hjärtmuskelvävnad.

Celler odlade på slät, omönstrade hydrogeler, dock, förblev mindre och mindre organiserad med sämre cell-till-cell-koppling mellan lagren.

"Det var väldigt spännande att observera konstruerade hjärtceller bete sig på ett litet chip i två dimensioner som de skulle göra i det inhemska hjärtat i tre dimensioner, " sa Kim.

Samarbetar med Leslie Tung, en professor i biomedicinsk teknik vid Johns Hopkins School of Medicine, forskarna fann att efter några dagars tillväxt, celler på den nanopönstrade ytan började leda elektriska vågor och dra ihop sig kraftigt i en specifik riktning, som intakt hjärtmuskel skulle göra.

"Kanske mest överraskande, dessa vävnadsfunktioner och strukturen hos den konstruerade hjärtvävnaden kan kontrolleras genom att helt enkelt ändra ställningens egenskaper i nanoskala. Det visar oss att hjärtceller har en akut nanosense, "" sa Levchenko.

"Denna känslighet i nanoskala berodde på cellers förmåga att deformeras när de fastnade i sprickorna i den nanotexturerade ytan och förmodligen inte på grund av närvaron av någon molekylär signal, ", sa Levchenko. "Dessa resultat visar att ECM fungerar som en kraftfull signal för celltillväxt, samt en stödjande struktur, och att den kan kontrollera hjärtcellsfunktionen på nanoskala separat i olika delar av detta vitala organ. Genom att efterlikna denna ECM-egenskap, vi skulle kunna börja designa bättre konstruerad hjärtvävnad."

Blickar framåt, Levchenko förutser att tekniska ytor med liknande egenskaper i nanoskala i tre dimensioner, istället för bara två, skulle kunna ge ett ännu mer potent sätt att kontrollera strukturen och funktionen hos odlad hjärtvävnad.