Die Cyborg-Technologie analysiert die funktionelle Reifung von aus Stammzellen gewonnenem Herzgewebe

Die Forschung in Tiermodellen hat gezeigt, dass aus Stammzellen gewonnenes Herzgewebe ein vielversprechendes Potenzial für therapeutische Anwendungen zur Behandlung von Herzerkrankungen hat. Aber bevor solche Therapien für den Menschen praktikabel und sicher sind, müssen die Wissenschaftler zunächst auf zellulärer und molekularer Ebene genau verstehen, welche Faktoren erforderlich sind, damit implantierte, aus Stammzellen gewonnene Herzzellen richtig wachsen und sich dreidimensional in das umgebende Gewebe integrieren können.

Neue Erkenntnisse der Harvard John A. Paulson School of Engineering and Applied Sciences (SEAS) machen es erstmals möglich, die funktionelle Entwicklung und Reifung von Kardiomyozyten – den Zellen, die für die Regulierung des Herzschlags durch synchronisierte elektrische Signale verantwortlich sind – im Einzelnen zu verfolgen -Zellebene unter Verwendung von in Gewebe eingebetteten nanoelektronischen Geräten. Die Geräte – die flexibel und dehnbar sind und sich nahtlos in lebende Zellen integrieren lassen, um „Cyborgs“ zu schaffen – werden in a Wissenschaftliche Fortschritte Papier.

„Diese netzartige Nanoelektronik, die so konzipiert ist, dass sie sich mit wachsendem Gewebe dehnt und bewegt, kann kontinuierlich die langfristige Aktivität innerhalb einzelner interessierender, aus Stammzellen stammender Kardiomyozyten erfassen“, sagt Jia Liu, Co-Senior-Autor des Papiers, der ein Assistent ist Professor für Bioingenieurwesen an der SEAS, wo er ein Labor für Bioelektronik leitet.

Lius Team, das sich auf die Entwicklung von Nanoelektronik spezialisiert hat, um die Lücke zwischen lebendem Gewebe und Elektronik zu schließen, hat mehrere netzartige, minimalinvasive, flexible nanoelektronische Sensoren entwickelt, die in natürliches Gewebe eingebettet werden können, ohne das normale Zellwachstum oder die normale Zellfunktion zu stören.

„Die Natur hat uns die Lösung für die Gewebeüberwachung in 3D gezeigt“, sagt Liu. „Wir wurden von der Art und Weise inspiriert, wie sich Neuralrohre während der Entwicklung falten, sich dehnen, wenn Zellen migrieren und sich in Gewebevolumen formen.“

Sein Team schuf 2019 sein erstes Cyborg-Organoid, um die Idee der Verwendung einer netzartigen nanoelektronischen Struktur zu testen, und hat zuvor gezeigt, dass diese Arten von flexibler Nanoelektronik sicher in lebende Mäuse implantiert werden können, ohne die Funktion benachbarter Zellen zu stören.

In ihrer neuesten Studie schloss sich Lius Labor mit Richard Lee und seinem Team am Harvard Stem Cell Institute zusammen und nutzte die Nanoelektronik, um die elektrische Aktivität von aus Stammzellen stammenden Kardiomyozyten zu überwachen. Dazu kultivierten die Forscher Zellen auf einer Folie aus kommerziell erhältlicher Zellmatrix, die als „Matrigel“ bekannt ist, und den netzartigen nanoelektronischen Sensor (der ein flexibles Gitter aus Mikroelektroden enthält).

Als die Zellen wuchsen und sich zu einer kleinen organoiden Struktur entwickelten, beobachteten die Forscher, dass sich die Folie leicht dehnte und die aus Stammzellen stammenden Gewebe aufnahm, während sie sich in 3D vermehrten und ausdehnten.

Unter Verwendung dieser Techniken in In-vitro-Experimenten entdeckte das Team, dass die Blutgefäßauskleidungszellen, die den Blutfluss zwischen Gefäßen und umgebendem Gewebe regulieren (sogenannte Endothelzellen), eine zuvor unterschätzte, aber entscheidende Rolle bei der schnellen und funktionellen Reifung von aus Stammzellen gewonnenen Kardiomyozyten spielen . Bei gemeinsamer Kultivierung in einer 3D-Herzgewebematrix durchliefen Kardiomyozyten in Gegenwart von Endothelzellen eine „außergewöhnliche elektrische Reifung“.

Im Laufe der siebenwöchigen Überwachung der sich entwickelnden Organoide beobachtete das Team, dass die Nähe zu Endothelzellen einen direkten Einfluss hatte. Kardiomyozyten, die neben Endothelzellen kultiviert wurden, reiften schneller als Kardiomyozyten, die weiter entfernt von Endothelzellen angeordnet waren, und sie zeigten auch elektrische Eigenschaften, die typischerweise in gesundem Herzgewebe zu finden sind.

Die neue Erkenntnis ist ein Sprung nach vorne für die Entwicklung von aus Stammzellen gewonnenem Herzgewebe. Experimentelle vorklinische Forschung an Tieren mit menschenähnlichen Herzen hat gezeigt, dass es schwierig ist, aus Stammzellen gewonnene Kardiomyozyten zu entwickeln und zu transplantieren, die über längere Zeiträume im Tandem mit dem umgebenden Herzgewebe schlagen können. Unreife Kardiomyozyten, die in das Herz eines Tieres transplantiert werden, neigen dazu, nach ihrer eigenen Trommel zu schlagen, und diese elektrische Fehlzündung kann gefährliche unregelmäßige Herzschläge verursachen.

Aus diesem Grund ist die Entdeckung, dass die Co-Kultivierung von aus Stammzellen stammenden Kardiomyozyten mit Endothelzellen funktionell ausgereiftere Kardiomyozyten erzeugen kann, so bedeutsam.

In ihrem neuen Artikel beschreibt das Team auch die Verwendung einer neuartigen, auf maschinellem Lernen basierenden Analyse zur Interpretation der elektrischen Aktivität, die von den in Gewebe eingebetteten nanoelektronischen Geräten erfasst wird, was eine kontinuierliche Überwachung der elektrischen Wellen ermöglicht, die von interessierenden reifenden Kardiomyozyten erzeugt werden, und ein besseres Verständnis ermöglicht wie die Mikroumgebung des Gewebes die elektrische Stabilität beeinflusst.

Laut Liu stellen die nanoelektronischen Geräte und die auf maschinellem Lernen basierende Analyse neue Plattformtechnologien für die Überwachung und Verwaltung von Gewebeimplantaten aus Stammzellen dar, die es Wissenschaftlern ermöglichen, Cyborgs zu kultivieren, die sowohl aus lebendem Gewebe als auch aus Elektronik bestehen, die mit einem hohen Grad an Spezifität gesteuert werden können.

In Herzgeweben stellt er sich vor, dass diese Cyborgs eines Tages sogar in einem ausgeklügelten Echtzeit-Feedback-System verwendet werden könnten, um abnormale elektrische Aktivität in Kardiomyozyten zu erkennen und eine hochgradig zielgerichtete Spannung bereitzustellen, die wie ein Schrittmacher im Nanomaßstab wirkt, um die Korrektur implantierter Zellen zu unterstützen und sicherzustellen Schlagen Sie weiter im Rhythmus mit dem Rest des Herzens.

„Wenn wir sowohl nanoelektronische Sensoren als auch Stimulatoren haben, können wir die elektrische Aktivität überwachen und Feedback verwenden, um implantiertes Gewebe mit der gleichen Frequenz wie das umgebende Gewebe zu stimulieren“, sagt Liu. „Dieser Ansatz könnte auf so viele andere Arten von Stammzellgeweben wie neuronales Gewebe und Organoide der Bauchspeicheldrüse angepasst werden.“

Er sagt auch, dass dieser Nanoelektronik-Plattform-Ansatz beim Arzneimittel-Screening verwendet werden könnte, um eine kontinuierliche Analyse auf Einzelzellebene zu ermöglichen, wie Gewebe auf verschiedene Verbindungen und Therapien reagieren.