En multi-institutionell forskargrupp har utvecklat en metod för att bädda in nätverk av biokompatibla nanoskala trådar i konstruerade vävnader. Dessa nätverk – som markerar första gången som elektronik och vävnad verkligen har slagits samman i 3D – tillåter direkt vävnadsavkänning och potentiell stimulering, en potentiell välsignelse för utveckling av konstruerade vävnader som innehåller kapacitet för övervakning och stimulering, och av anordningar för screening av nya läkemedel.

Forskargruppen – ledd av Daniel Kohane, MD, Doktorsexamen, på avdelningen för anestesi vid Boston Children's Hospital; Charles M. Lieber, Doktorsexamen, vid Harvard University; och Robert Langer, ScD, vid Massachusetts Institute of Technology – rapporterade deras arbete online den 26 augusti i Naturmaterial .

En av de stora utmaningarna för att utveckla bioingenjörsvävnader är att skapa system för att känna av vad som händer (t.ex. kemiskt, elektriskt) i en vävnad efter att den har odlats och/eller implanterats. Liknande, forskare har kämpat för att utveckla metoder för att direkt stimulera manipulerade vävnader och mäta cellulära reaktioner.

"I kroppen, det autonoma nervsystemet håller reda på pH, kemi, syre och andra faktorer, och utlöser svar efter behov, " Kohane förklarade. "Vi måste kunna efterlikna den typ av inneboende återkopplingsslingor som kroppen har utvecklats för att bibehålla fin kontroll på cell- och vävnadsnivå."

Med det autonoma nervsystemet som inspiration, en postdoktor i Kohane-labbet, Bozhi Tian, Doktorsexamen, och hans medarbetare byggde nätliknande nätverk av kiseltrådar i nanoskala – cirka 80 nm i diameter – formade som platta plan eller i en "sockervadd"-liknande nätform. Nätverken var tillräckligt porösa för att låta laget fröa dem med celler och uppmuntra dessa celler att växa i 3D -kulturer.

"Tidigare ansträngningar för att skapa biotekniska avkänningsnätverk har fokuserat på 2D-layouter, där odlingsceller växer ovanpå elektroniska komponenter, eller på konforma layouter där sonder placeras på vävnadsytor, ", sa Tian. "Det är önskvärt att ha en korrekt bild av cellulärt beteende inom 3D-strukturen av en vävnad, och det är också viktigt att ha sonder i nanoskala för att undvika störningar av antingen cellulär eller vävnadsarkitektur."

"De nuvarande metoderna vi har för att övervaka eller interagera med levande system är begränsade, ", sa Lieber. "Vi kan använda elektroder för att mäta aktivitet i celler eller vävnad, men det skadar dem. Med denna teknik, för första gången, vi kan arbeta i samma skala som enheten i det biologiska systemet utan att avbryta det. I sista hand, det här handlar om att slå samman vävnad med elektronik på ett sätt så att det blir svårt att avgöra var vävnaden slutar och elektroniken börjar."

"Än så länge, det här är det närmaste vi har kommit att införliva elektroniska komponenter i konstruerade vävnader nära storleken på strukturerna i den extracellulära matrisen som omger celler i vävnader, " tillade Kohane.

Genom att använda hjärt- och nervceller som källmaterial och ett urval av biokompatibla beläggningar, laget konstruerade framgångsrikt vävnader som innehåller inbäddade nanoskala nätverk utan att påverka cellernas livskraft eller aktivitet. Via nätverken, forskarna kunde upptäcka elektriska signaler genererade av celler djupt inne i de konstruerade vävnaderna, samt mäta förändringar i dessa signaler som svar på hjärt- eller neurostimulerande läkemedel.

Slutligen, Teamet visade att de kunde konstruera biokonstruerade blodkärl med inbäddade nätverk och använda dessa nätverk för att mäta pH-förändringar inom och utanför kärlen – vilket skulle ses som svar på inflammation, ischemi och andra biokemiska eller cellulära miljöer.

"Den här tekniken kan vända några grundläggande principer för bioteknik på huvudet, " sa Kohane. "För det mesta, till exempel, ditt mål är att skapa byggnadsställningar som du kan odla vävnader på och sedan få dessa ställningar att brytas ned och lösas upp. Här, ställningen stannar, och faktiskt spelar en aktiv roll."

Teammedlemmarna ser flera framtida tillämpningar för denna teknik, från hybridbioingenjörerade "cyborg" -vävnader som känner av förändringar i kroppen och utlöser svar (t.ex. frisättning av läkemedel, elektrisk stimulering) från andra implanterade terapeutiska eller diagnostiska anordningar, till utveckling av "lab-on-a-chip"-system som skulle använda konstruerade vävnader för screening av läkemedelsbibliotek.