Cyborg-technologie analyseert de functionele rijping van stamcel-afgeleid hartweefsel

Onderzoek in diermodellen heeft aangetoond dat van stamcellen afgeleid hartweefsel een veelbelovend potentieel heeft voor therapeutische toepassingen voor de behandeling van hartaandoeningen. Maar voordat dergelijke therapieën levensvatbaar en veilig zijn voor gebruik bij mensen, moeten wetenschappers eerst precies begrijpen op cellulair en moleculair niveau welke factoren nodig zijn voor geïmplanteerde stamcel-afgeleide hartcellen om goed te groeien en te integreren in drie dimensies in omringend weefsel.

Nieuwe bevindingen van de Harvard John A. Paulson School of Engineering and Applied Sciences (SEAS) maken het voor het eerst mogelijk om de functionele ontwikkeling en rijping van cardiomyocyten – de cellen die verantwoordelijk zijn voor het reguleren van de hartslag door middel van gesynchroniseerde elektrische signalen – te volgen op de enkele -celniveau met behulp van in weefsel ingebedde nano-elektronische apparaten. De apparaten – die flexibel en rekbaar zijn en naadloos kunnen worden geïntegreerd met levende cellen om ‘cyborgs’ te creëren – worden gerapporteerd in een Wetenschappelijke vooruitgang papier.

“Deze mesh-achtige nano-elektronica, ontworpen om uit te rekken en te bewegen met groeiend weefsel, kan continu langdurige activiteit vastleggen in individuele van stamcellen afgeleide hartspiercellen van belang”, zegt Jia Liu, co-senior auteur van de krant, die een assistent is professor bio-engineering aan SEAS, waar hij een laboratorium leidt dat zich toelegt op bio-elektronica.

Liu’s team, dat gespecialiseerd is in het ontwerpen van nano-elektronica om de kloof tussen levend weefsel en elektronica te overbruggen, heeft verschillende mesh-achtige, minimaal invasieve flexibele nano-elektronische sensoren ontwikkeld die zijn ontworpen om te worden ingebed in natuurlijke weefsels zonder de normale cellulaire groei of functie te verstoren.

“De natuur toonde ons de oplossing voor het monitoren van weefsel in 3D”, zegt Liu. “We werden geïnspireerd door de manier waarop neurale buizen vouwen tijdens de ontwikkeling, uitrekken als cellen migreren en vorm krijgen in weefselvolume.”

Zijn team creëerde in 2019 hun eerste cyborg-organoïde om het idee van het gebruik van een mesh-achtige nano-elektronische structuur te testen, en heeft eerder aangetoond dat dit soort flexibele nano-elektronica veilig in levende muizen kan worden geïmplanteerd zonder de functie van nabijgelegen cellen te verstoren.

In hun laatste studie bundelde het laboratorium van Liu de krachten met Richard Lee en zijn team van het Harvard Stem Cell Institute en gebruikte het de nano-elektronica om de elektrische activiteit van stamcel-afgeleide cardiomyocyten te volgen. Om dit te doen, kweekten de onderzoekers cellen op een vel gemaakt van in de handel verkrijgbare cellulaire matrix die bekend staat als “Matrigel” en de gaasachtige nano-elektronische sensor (die een flexibel raster van micro-elektroden bevat).

Terwijl de cellen groeiden en zich ontwikkelden tot een kleine organoïde structuur, merkten de onderzoekers op dat het vel gemakkelijk werd uitgerekt en plaats bood aan de van stamcellen afgeleide weefsels terwijl ze zich vermenigvuldigden en uitbreidden in 3D.

Met behulp van deze technieken in in vitro-experimenten ontdekte het team dat de bloedvatbekledingscellen die de bloedstroom tussen vaten en omliggende weefsels reguleren (endotheelcellen genaamd) een eerder onderschatte maar cruciale rol spelen in de snelle en functionele rijping van stamcel-afgeleide cardiomyocyten. . Wanneer ze samen werden gekweekt in een 3D-hartweefselmatrix, ondergingen cardiomyocyten “buitengewone elektrische rijping” in aanwezigheid van endotheelcellen.

Gedurende zeven weken van monitoring van de zich ontwikkelende organoïden, merkte het team op dat de nabijheid van endotheelcellen een directe impact had. Cardiomyocyten die naast endotheelcellen werden gekweekt, rijpten sneller in vergelijking met cardiomyocyten die zich verder van endotheelcellen bevonden, en ze vertoonden ook elektrische kenmerken die doorgaans worden aangetroffen in gezond hartweefsel.

Het nieuwe inzicht is een grote stap voorwaarts voor het ontwikkelen van stamcel-afgeleide hartweefsels. Experimenteel preklinisch onderzoek bij dieren met een mensachtig hart heeft bewezen dat het moeilijk is om van stamcellen afgeleide cardiomyocyten te ontwikkelen en te transplanteren die gedurende langere tijd samen met het omringende hartweefsel kunnen kloppen. Onrijpe cardiomyocyten die in het hart van een dier zijn getransplanteerd, hebben de neiging om op hun eigen trommel te slaan, en deze elektrische storing kan gevaarlijke onregelmatige hartslagen veroorzaken.

Dat is de reden waarom de ontdekking dat co-kweek van stamcel-afgeleide hartspiercellen met endotheelcellen meer functioneel volwassen hartspiercellen kan creëren, zo belangrijk is.

In hun nieuwe paper beschrijft het team ook het gebruik van een nieuwe op machine learning gebaseerde analyse om de elektrische activiteit te interpreteren die wordt opgevangen door de in weefsel ingebedde nano-elektronische apparaten, waardoor continue monitoring van de elektrische golven die worden gegenereerd door rijpende cardiomyocyten van interesse mogelijk wordt en een beter begrip mogelijk wordt van hoe de micro-omgeving van het weefsel de elektrische stabiliteit beïnvloedt.

Liu zegt dat de nano-elektronische apparaten en op machine learning gebaseerde analyses nieuwe platformtechnologieën vertegenwoordigen voor het monitoren en beheren van stamcel-afgeleide weefselimplantaten, waardoor wetenschappers cyborgs kunnen kweken die zijn gemaakt van zowel levende weefsels als elektronica die met een hoge mate van specificiteit kunnen worden bestuurd.

In hartweefsels stelt hij zich voor dat deze cyborgs op een dag zelfs kunnen worden gebruikt in een geavanceerd, real-time feedbacksysteem om abnormale elektrische activiteit in cardiomyocyten te detecteren en zeer gerichte spanning te leveren, die werkt als een pacemaker op nanoschaal, om geïmplanteerde cellen te helpen corrigeren en ervoor te zorgen dat ze blijven kloppen in het ritme van de rest van het hart.

“Als we zowel nano-elektronische sensoren als stimulatoren hebben, kunnen we elektrische activiteit volgen en feedback gebruiken om geïmplanteerde weefsels in dezelfde frequentie te brengen als omliggende weefsels”, zegt Liu. “Deze benadering zou kunnen worden aangepast aan zoveel andere soorten van stamcellen afgeleide weefsels, zoals neuronale weefsels en pancreasorganoïden.”

Hij zegt ook dat deze nano-elektronica-platformbenadering kan worden gebruikt bij het screenen van geneesmiddelen, door een continue analyse op eencellig niveau te bieden van hoe weefsels reageren op verschillende verbindingen en therapieën.