Vad händer i de första dagarna av organutveckling? Hur organiserar sig en liten grupp celler för att bli ett hjärta, en hjärna, eller en njure? Denna kritiska utvecklingsperiod har länge förblivit utvecklingsbiologins svarta låda, delvis för att ingen sensor var tillräckligt liten eller flexibel för att observera denna process utan att skada cellerna.

Nu, forskare från Harvard John A. Paulson School of Engineering and Applied Sciences (SEAS) har odlat förenklade organ som kallas organoider med helt integrerade sensorer. Dessa så kallade cyborgorganoider ger en sällsynt inblick i de tidiga stadierna av organutveckling.

Forskningen publicerades i Nanobokstäver .

"Jag blev så inspirerad av den naturliga organutvecklingsprocessen på gymnasiet, där 3-D-organ utgår från få celler i 2-D-strukturer. Jag tror att om vi kan utveckla nanoelektronik som är så flexibel, töjbar, och mjuka att de kan växa tillsammans med utvecklande vävnad genom sin naturliga utvecklingsprocess, de inbyggda sensorerna kan mäta hela aktiviteten i denna utvecklingsprocess, sa Jia Liu, Biträdande professor i bioteknik vid SEAS och senior författare till studien. "Slutresultatet är en bit vävnad med en enhet i nanoskala som är helt fördelad och integrerad över hela den tredimensionella volymen av vävnaden."

Denna typ av anordning kommer från det arbete som Liu började som doktorand i Charles M. Liebers labb, professorn vid Joshua och Beth Friedman University. I Liebers labb, Liu utvecklade en gång flexibel, nätliknande nanoelektronik som kan injiceras i specifika vävnadsområden.

Bygger på den designen, Liu och hans team ökade töjbarheten hos nanoelektroniken genom att ändra formen på nätet från raka linjer till serpentinstrukturer (liknande strukturer används i bärbar elektronik). Sedan, teamet överförde nätnanoelektroniken till ett 2D-ark av stamceller, där cellerna täckte och sammanvävde med nanoelektroniken via cell-cell-attraktionskrafter. När stamcellerna började förvandlas till en 3D-struktur, nanoelektroniken omkonfigurerade sig sömlöst tillsammans med cellerna, vilket resulterar i fullvuxna 3D-organoider med inbäddade sensorer.

Stamcellerna differentierades sedan till kardiomyocyter - hjärtceller - och forskarna kunde övervaka och registrera den elektrofysiologiska aktiviteten i 90 dagar.

"Denna metod tillåter oss att kontinuerligt övervaka utvecklingsprocessen och förstå hur dynamiken hos enskilda celler börjar interagera och synkroniseras under hela utvecklingsprocessen, " sa Liu. "Den kan användas för att förvandla vilken organoid som helst till cyborgorganoider, inklusive organoider i hjärnan och bukspottkörteln."

Förutom att hjälpa till att svara på grundläggande frågor om biologi, Cyborg-organoider skulle kunna användas för att testa och övervaka patientspecifika läkemedelsbehandlingar och potentiellt användas för transplantationer.