Что происходит в первые дни развития органов? Как небольшая группа клеток организуется, чтобы стать сердцем, мозгом или почкой? Этот критический период развития долгое время оставался черным ящиком биологии развития, отчасти потому, что ни один датчик не был достаточно маленьким или гибким, чтобы наблюдать за этим процессом, не повреждая клетки.
Теперь исследователи из Гарвардской школы инженерии и прикладных наук имени Джона А. Полсона (SEAS) вырастили упрощенные органы, известные как органоиды, с полностью интегрированными датчиками. Эти так называемые органоиды-киборги позволяют заглянуть на ранние стадии развития органов.
Исследование опубликовано в Nano Letters.
Я был так вдохновлен естественным процессом развития органов в старшей школе, когда трехмерные органы начинаются с нескольких клеток в двухмерных структурах. Я думаю, если мы сможем разработать наноэлектронику, которая будет настолько гибкой, растяжимой и мягкой, что могут расти вместе с развивающейся тканью в процессе их естественного развития, встроенные датчики могут измерять всю активность этого процесса развития», - сказал Цзя Лю, доцент кафедры биоинженерии в SEAS и старший автор исследования. «Конечным результатом является кусок ткани с наноразмерным устройством, полностью распределенным и интегрированным по всему трехмерному объему ткани».
Устройства такого типа возникли в результате работы, которую Лю начал, будучи аспирантом в лаборатории Чарльза М. Либера, профессора Университета Джошуа и Бет Фридман. В лаборатории Либера Лю однажды разработал гибкую сетчатую наноэлектронику, которую можно было вводить в определенные области ткани.
Опираясь на этот дизайн, Лю и его команда увеличили растяжимость наноэлектроники, изменив форму сетки с прямых линий на змеевидные структуры (похожие структуры используются в носимой электронике). Затем команда перенесла сетчатую наноэлектронику на двухмерный лист стволовых клеток, где клетки покрыли и переплелись с наноэлектроникой посредством сил межклеточного притяжения. Когда стволовые клетки начали трансформироваться в трехмерную структуру, наноэлектроника плавно реконфигурировала себя вместе с клетками, в результате чего появились полностью выращенные трехмерные органоиды со встроенными датчиками.
Стволовые клетки были затем дифференцированы в кардиомиоциты - клетки сердца - и исследователи смогли отслеживать и регистрировать электрофизиологическую активность в течение 90 дней.
«Этот метод позволяет нам постоянно отслеживать процесс развития и понимать, как динамика отдельных клеток начинает взаимодействовать и синхронизироваться в течение всего процесса развития», - сказал Лю.«Его можно использовать для превращения любого органоида в органоиды-киборги, включая органоиды мозга и поджелудочной железы».
Киборорганоиды не только помогают ответить на фундаментальные вопросы биологии, но и могут использоваться для тестирования и мониторинга лекарственных препаратов для конкретных пациентов и потенциально могут использоваться для трансплантаций.