‘Tatoeages’ op nanoschaal voor individuele cellen kunnen vroege waarschuwingen zijn voor gezondheidsproblemen

Ingenieurs hebben tatoeages op nanoschaal ontwikkeld – stippen en draden die zich hechten aan levende cellen – in een doorbraak die onderzoekers een stap dichter bij het volgen van de gezondheid van individuele cellen brengt.

De nieuwe technologie maakt voor het eerst de plaatsing mogelijk van optische elementen of elektronica op levende cellen met tatoeage-achtige arrays die op cellen blijven plakken terwijl ze buigen en zich aanpassen aan de natte en vloeibare buitenstructuur van de cellen.

“Als je je voorstelt waar dit in de toekomst allemaal naartoe gaat, zouden we graag sensoren hebben om op afstand de toestand van individuele cellen en de omgeving rond die cellen in realtime te bewaken en te regelen”, zegt David Gracias, een professor in de chemische en biomoleculaire engineering aan de Johns Hopkins University die de ontwikkeling van de technologie leidde. “Als we technologieën hadden om de gezondheid van geïsoleerde cellen te volgen, zouden we misschien veel eerder ziekten kunnen diagnosticeren en behandelen en niet wachten tot het hele orgaan beschadigd is.”

De details worden gepubliceerd in Nano-brieven.

Gracias, die werkt aan de ontwikkeling van biosensortechnologieën die niet-toxisch en niet-invasief zijn voor het lichaam, zei dat de tatoeages de kloof overbruggen tussen levende cellen of weefsel en conventionele sensoren en elektronische materialen. Ze zijn in wezen zoals streepjescodes of QR-codes, zei hij.

“We hebben het over het zetten van zoiets als een elektronische tatoeage op een levend object dat tientallen keren kleiner is dan de punt van een speld,” zei Gracias. “Het is de eerste stap naar het bevestigen van sensoren en elektronica op levende cellen.”

De structuren konden 16 uur lang aan zachte cellen kleven, zelfs als de cellen bewogen.

De onderzoekers bouwden de tatoeages in de vorm van arrays met goud, een materiaal dat bekend staat om zijn vermogen om signaalverlies of vervorming in elektronische bedrading te voorkomen. Ze bevestigden de arrays aan cellen die weefsel in het menselijk lichaam maken en onderhouden, fibroblasten genaamd. De arrays werden vervolgens behandeld met moleculaire lijmen en op de cellen overgebracht met behulp van een alginaat-hydrogelfilm, een gelachtig laminaat dat kan worden opgelost nadat het goud aan de cel hecht. De moleculaire lijm op de array bindt zich aan een film die wordt uitgescheiden door de cellen, de extracellulaire matrix genoemd.

Eerder onderzoek heeft aangetoond hoe hydrogels kunnen worden gebruikt om nanotechnologie op de menselijke huid en interne dierlijke organen te plakken. Door te laten zien hoe nanodraden en nanodots op enkele cellen kunnen worden geplakt, pakt het team van Gracias de al lang bestaande uitdaging aan om optische sensoren en elektronica compatibel te maken met biologische materie op het niveau van een enkele cel.

“We hebben aangetoond dat we complexe nanopatronen aan levende cellen kunnen hechten, terwijl we ervoor zorgen dat de cel niet sterft”, zei Gracias. “Het is een heel belangrijk resultaat dat de cellen kunnen leven en bewegen met de tatoeages, omdat er vaak een aanzienlijke onverenigbaarheid is tussen levende cellen en de methoden die ingenieurs gebruiken om elektronica te fabriceren.”

Het vermogen van het team om de stippen en draden in een reeksvorm te bevestigen, is ook cruciaal. Om deze technologie te gebruiken om bio-informatie te volgen, moeten onderzoekers in staat zijn om sensoren en bedrading in specifieke patronen te rangschikken, vergelijkbaar met hoe ze zijn gerangschikt in elektronische chips.

“Dit is een array met een specifieke spatiëring,” legde Gracias uit, “geen lukrake verzameling stippen.”

Het team is van plan om te proberen complexere nanocircuits aan te sluiten die voor langere tijd op hun plaats kunnen blijven. Ook willen ze experimenteren met verschillende soorten cellen.