Forskare vid University of California San Diego School of Medicine och deras medarbetare har utvecklat en teknik som gör att de kan påskynda eller bromsa mänskliga hjärtceller som växer i en maträtt på kommando - helt enkelt genom att skina ett ljus på dem och variera dess intensitet. Cellerna odlas på ett material som kallas grafen, som omvandlar ljus till elektricitet, ger en mer realistisk miljö än vanliga plast- eller glaslaboratorier.

Metoden, beskrivs i 18 maj-numret av Vetenskapens framsteg , kan användas för ett antal forsknings- och kliniska tillämpningar, inklusive:testa terapeutiska läkemedel i mer biologiskt relevanta system, utveckla användningsspecifika läkemedel som är mer precisa och har färre systemiska effekter, och skapa bättre medicinsk utrustning, såsom ljusstyrda pacemakers.

"När vi först fick det här att fungera i vårt labb, plötsligt hade vi något i stil med 20 personer som samlades runt, skriker saker som "Omöjligt!" och anklagar mig för att ha skämtat med dem. Vi hade aldrig sett något liknande förut, " sa första författaren Alex Savchenko, Ph.D., en forskare vid avdelningen för pediatrik vid UC San Diego School of Medicine och Sanford Consortium for Regenerative Medicine. Savchenko ledde studien med Elena Molokanova, Ph.D., VD för Nanotools Bioscience.

Medan på vissa sätt helt enkelt en tunnare version av grafit ("blyertspets"), grafens unika egenskaper uppskattades verkligen relativt nyligen, en insats som erkändes med 2010 års Nobelpris i fysik, tilldelas Andre Geim, Ph.D., och Kostantin Novoselov, Ph.D., båda fysiker vid University of Manchester i Storbritannien. Grafen är en halvmetall som består av ett gallerverk av kolatomer, samma grundämne som ligger till grund för alla levande organismer. En del av det som gör grafen speciell är dess förmåga att effektivt omvandla ljus till elektricitet. I kontrast, glas och plast är isolatorer – de leder inte elektricitet. Den mesta biomedicinska forskningen bygger på enskilda celler eller cellkulturer odlade i petriskålar av plast eller på glasplattor.

"Ändå i din kropp, du ser inte många ytor som fungerar som plast eller glas, " sa Savchenko. "Istället, vi är ledande. Våra hjärtan är extremt bra på att leda elektricitet. I hjärnan, det är elektrisk ledningsförmåga som gör att jag kan tänka och prata samtidigt."

Savchenko, Molokanova och andra forskare har noterat att celler i labbet växer bättre på grafen än andra material, och beter sig mer som celler gör i kroppen. Savchenko och Molokanova krediterar deras bakgrund inom fysik för att de hjälpt dem att se på biologiska system lite annorlunda än de flesta.

I den här studien, forskarna genererade hjärtceller från donerade hudceller, via en intermediär celltyp som kallas en inducerad pluripotent stamcell (iPSC). Sedan odlade de dessa iPSC-härledda hjärtceller på en grafenyta.

Savchenko sa att det tog ett tag för laget att fastställa den optimala grafenbaserade formuleringen. Sedan var de tvungna att hitta den bästa ljuskällan och sättet att leverera det ljuset till grafen-cellsystemet. Men de hittade så småningom ett sätt att exakt kontrollera hur mycket elektricitet grafenet genererade genom att variera intensiteten på ljuset som de exponerade det för.

"Vi blev förvånade över graden av flexibilitet, att grafen låter dig pace celler bokstavligen efter behag, " sa Savchenko. "Vill du att de ska slå dubbelt så snabbt? Inga problem – du ökar bara ljusintensiteten. Tre gånger snabbare? Inga problem – öka ljus- eller grafendensiteten."

Savchenko och kollegor fann att de på samma sätt kunde kontrollera hjärtaktiviteten i en levande organism (zebrafiskembryon) med hjälp av ljus och spridd grafen.

Teamet var också förvånade över frånvaron av toxicitet, vilket ofta ställer forskare inför en enorm utmaning. "I vanliga fall, om du introducerar ett nytt material inom biologi, du förväntar dig att se ett visst antal celler dödas under processen, " sa Savchenko. "Men vi såg inget av det. Det gör oss hoppfulla att vi kommer att kunna undvika skadliga problem senare, när vi testar olika medicinska tillämpningar."

Forskarna är entusiastiska över de många möjliga tillämpningarna för detta nya grafen/ljus-system. En potentiell användning är vid drogscreening. För närvarande, forskare använder robotteknik för att testa hundratusentals kemiska föreningar, screenar dem för deras förmåga att förändra en cells beteende. De föreningar som har den önskade effekten studeras vidare för deras potential som ett nytt terapeutiskt läkemedel. Dock, många nyttiga föreningar kan missas eftersom deras effekter inte är uppenbara i det tillstånd där testcellerna odlas - på plast, utanför sjukdomssammanhanget.

Till exempel, forskare kan testa läkemedel på hjärtceller som odlats i en standard laboratorieskål av plast. Men dessa celler drar ihop sig i sin egen takt, inte modellera de tillstånd som kan finnas precis innan en person får en hjärtattack. Läkemedlen de testar på dessa celler kanske inte verkar göra någonting om de är användningsberoende - vilket betyder att läkemedlen endast har en effekt under vissa förhållanden.

För att testa den här applikationen, laget lade till mexiletine, ett läkemedel som används för att behandla oregelbundna hjärtslag (arytmier), till sina hjärtceller. Mexiletin är känt för att vara användningsberoende - det har bara effekt när det finns en ökning av hjärtfrekvensen, som inträffar under en arytmi. Forskarna belyste sina hjärtceller på grafen med ljus av olika intensitet. Ju snabbare de fick hjärtcellerna att slå, ju bättre mexiletin hämmade dem.

Tills vidare, teamet är fokuserat på hjärtceller och neuroner. Men de är intresserade av att så småningom använda sitt grafen/ljussystem för att söka efter läkemedel som specifikt dödar cancerceller, samtidigt som friska celler lämnas ifred. Forskarna tänker sig också att använda grafen för att hitta opioidalternativ-användningsberoende smärtstillande läkemedel som bara fungerar när och där en person har ont, vilket minskar systemiska effekter som kan leda till missbruk och missbruk. Till sist, Savchenko tror att ljusstyrda pacemakers gjorda av grafen kan vara säkrare och effektivare än nuvarande modeller.

Det finns mycket arbete att göra, men Savchenko är optimistisk. "Du kan klämma in ett halvårs djurförsök till en dag av experiment med detta grafenbaserade system, " han sa.