Den extracellulära matrisen (ECM) inklusive tredimensionellt (3D) nätverk och bioelektricitet kan djupt påverka cellutveckling, migration, och funktionellt uttryck. I en ny rapport som nu publiceras den Vetenskapens framsteg , Tong Li och ett forskarteam inom kemi, nanoteknik, bioelektronik och avancerade material i Kina, utvecklat en elektromekanisk kopplingsbio-nanogenerator förkortad bio-NG inspirerad av biofysiska signaler från den extracellulära matrisen. Enheten innehöll mycket diskreta piezoelektriska fibrer för att generera piezopotential upp till millivolt för att ge in situ elektrisk stimulering för levande celler.

Det unika 3D-utrymmet inom bio-NGs gav en ECM-liknande miljö för att främja celltillväxt. Bio-NGs främjade effektivt cellviabilitet och utveckling för att bibehålla dess specifika funktionella uttryck. Forskare förväntar sig att de nya och avancerade bio-NG:erna ska efterlikna komplexiteten hos den extracellulära matrisen och tillhandahålla ett fysiologiskt relevant biologiskt system in vivo. Enheten främjade effektivt cellviabilitet och utveckling för att bibehålla dess specifika funktionella uttryck. Li et al. förvänta dig att den nya och avancerade versionen av bio-nanogeneratorer ger ett fysiologiskt relevant biologiskt system in vivo för att ersätta felaktiga 2D-system och djurmodeller.

Vägledning för celler

I det här arbetet, Li et al. skisserade en praktisk strategi för trådlös elektrisk stimulering av celler och vävnader för att reparera och upprätthålla cellfunktion. Bioelektricitet är en biofysisk signal som ger vägledning för celltillväxt och differentiering under embryonal utveckling och vävnadsregenerering. Endogen bioelektricitet finns i cytoplasman och det extracellulära utrymmet, tillhandahåller forskare en resurs för elektrisk stimulering av exciterbara celler och reglering av cellulär aktivitet för biomedicinska tillämpningar. De flesta behandlingsmetoder kräver en extern energiinmatning och trådanslutning för att applicera externa elektriska pulser genom implanterade mikroenheter. Den senaste utvecklingen inom nanoteknik har möjliggjort elektrodlösa och batterifria behandlingar, som inkluderar användning av nanogeneratorer för hjärnstimulering, hårregenerering och sårläkning. Dock, de flesta av dem kräver en väl accepterad lösning för att elektriskt stimulera de funktionella cellerna. Li et al. inspirerades därför av den biologiska funktionen och mikrostrukturen hos kollagenfibrer i den extracellulära matrisen för att bilda bio-NGs sammansatta av mycket diskreta piezoelektriska elektrospunna fibrer för att förse celler med en fysiskt relevant mikromiljö. Bio-NG-cell-interaktionen gäller in vivo-miljöer för att minska inflammation, inducerar hepatocytproliferation, och påskynda angiogenesen, samt främja leverreparation.

Bildar de bioinspirerade elektromekaniska bio-NG:erna .

Under experimenten, forskargruppen introducerade magnetiska nanopartiklar av järnoxid i polyakrylnitril för att förbereda mycket diskreta fibrer för användning som en magnetisk assisterad elektrospinningsanordning. Under elektrospinning, installationen möjliggjorde bildandet av ställningar med väl sammankopplade porer och diskreta fibrer för cellfri migration. För att förbereda en närmare-in-vivo mikromiljö, teamet förmedlade också bioelektricitet som en biofysisk signal. För att åstadkomma detta, forskarna utvecklade en målställning för att främja cellinteraktion och vidhäftning med fibrer. Den elektromekaniska kopplingen av bio-NGs sammansatta av ställningen främjade överföring och kommunikation av signaler mellan celler för att efterlikna de bioelektriska effekterna av kollagenfibriller eller fibrer i den extracellulära matrisen. Teamet simulerade och studerade den piezoelektriska potentialen som genereras från cellkraft i bio-NG:er med hjälp av finita elementanalys. För att åstadkomma detta, de applicerade en belastningskraft på cell-fiberkontakten och mätte först piezoelektriciteten hos en enskild fiber i bio-NGs med hjälp av piezoelektrisk kraftmikroskopi. De experimentella spänningssignalerna validerade den teoretiska piezoelektriciteten hos bio-NG:erna.

Karakteriserar bio-NG och reglerar cellaktivitet

För att undersöka informationen om fibrerna i bio-NG:er, teamet använde Fourier Transform Infrared (FTIR) och röntgendiffraktionsspektra (XRD). De studerade sedan de termodynamiska egenskaperna hos de piezoelektriska fibrerna i bio-NGs med hjälp av differential scanning calorimetry (DSC) termogram och genomförde cykliska voltammogramstudier för att testa laddningslagrings- och transmissionsegenskaperna hos de piezoelektriska fibrerna i bio-NG. Teamet testade sedan fibrernas komprimerande motståndskraft och mekaniska egenskaper genom att först bilda cylindriska former av dem och komprimera ställningarna för att förstå den utmärkta motståndskraften hos konstruktionerna. De mekaniska egenskaperna och motståndskraften hos fibrerna säkerställde att bio-NGs effektivt kunde bibehålla en tillräckligt stor porstorlek och stabil 3D-tillväxtmikromiljö för cellrörelser och tillväxt. Teamet undersökte också interaktionen mellan NG-celler i 3D-rymden med två olika cellinjer inklusive

retinal ganglioncell 5 (RGC5) och primära hepatocyter. Cellerna innehöll spänningsstyrda kalciumkanaler i sina membran och andra var rörliga celler med höga metaboliska funktioner. Med hjälp av tvådimensionella nanogeneratorer (NGs) och icke-piezoelektriska 3D-fibrer studerade teamet effekterna av 3D-rymden och elektrisk stimulering på celler. Data visade hur bio-NG:erna kunde ge en biovänlig cellkulturmikromiljö för ytterligare experiment.

Främja in vivo leverreparation med bio-NGs

Forskarna implanterade sedan bio-NGs i ett område med leverskada i förhållande till hepatocytregenerering för att återspegla deras praktiska funktion. För att åstadkomma detta, de använde Sprague-Dawley-råttor för att framkalla leverskada. Efter fyra veckors implantation av bio-NGs, teamet tog bort implantaten och studerade inflammation med histologisk färgning. De noterade mild inflammation under den första veckan, som förbättrades under den andra veckan och minskade till normala nivåer under den fjärde veckan. Alla andra organ visade inte deformation eller onormal lymfatisk cellinvasion för att indikera goda hälsotillstånd utan systematiska biverkningar. Den observerade regenerativa processen framhävde ett nytt blodcirkulationssystem som bildades inuti regenererad levervävnad för att föreslå interaktionen av bio-NGs med celler för att minska inflammation och främja vävnadsreparation.

Långtidsstabilitet och biokompatibilitet för bio-NGs in vivo

NG-cellinteraktionen främjade effektivt cellviabilitet och bibehöll dess funktionella uttryck in vitro och in vivo för att tillhandahålla en behandlingsstrategi för kliniska prövningar. För vävnadsregenerering, det är mest effektivt att direkt transplantera funktionella celler till det skadade stället in vivo. För ytterligare studier, teamet implanterade bio-NGs i gastrocnemius muskelområdet runt ischiasnerven hos råttor för att upptäcka stabiliteten hos bio-NGs in vivo. Li et al. tog sedan bort implantaten efter åtta veckor och analyserade inflammation för att visa god biokompatibilitet av bio-NGs under långa tidsperioder i biologiska miljöer utan några systemiska biverkningar. Konstruktionerna är lovande som implantat för in vivo regenerativ reparation.

Syn

På det här sättet, Tong Li och kollegor utvecklade extracellulära matrisliknande elektromekaniska kopplingsbio-nanogeneratorer (bio-NGs) för att reglera cellaktivitet och bibehålla dess specifika funktionella uttryck. The product created a local voltage potential to stimulate living cells as long as they remained motile. The unique environment facilitated cell culture in bio-NGs to trigger the opening of ion channels present in the cellular plasma membrane to achieve electrical stimulation at the single-cell level. The process offers great potential for bioelectronic medicine and cell-targeted local electrical impulses. The new method can replace inaccurate 2D systems and time-consuming animal models to provide a biomimetic, physiological microenvironment for accelerated tissue regeneration and bioinspired electronic medicine.

© 2021 Science X Network