Tissue-Engineered Heart kommt näher mit eingebetteten Nanodrähten

Durch Hinzufügen von winzigen elektronischen Nanowire-Sensoren zu konstruierten 3D-Gewebestrukturen haben Wissenschaftler eine Methode zur Überwachung des Zellverhaltens entwickelt, die die Behandlung von Herz- und neurologischen Erkrankungen vorantreiben und die Entwicklung von Tissue-Engineering-Herzen beschleunigen könnte.
Die Forscher wissen bereits, wie man die dreidimensionale Form von künstlichem Gewebe kontrolliert: Sie züchten die Zellen auf winzigen, schwammartigen Gerüsten. Diese werden dann in Patienten implantiert oder verwendet, um die Wirkung neuer Medikamente im Labor zu untersuchen.
Und sie konnten elektronische Sensoren in zweidimensionales Gewebe integrieren, das als flache Schichten gewachsen ist. Aber diese replizieren nicht die wahre 3D-Natur des Gewebes.
Jetzt in einer neuen US - Studie veröffentlicht online in Naturmaterialien In dieser Woche erklären Forscher vom MIT, der Harvard University und dem Boston Children's Hospital, wie sie diese Technologie einen Schritt weiter entwickelt haben, um echtes 3D-Gewebe zu erzeugen, das mit elektronischen Sensoren im darunterliegenden Gerüst eingebettet ist.
In einer aktuellen Presseerklärung sagt Senior Autor Robert Langer, Professor am MIT am David H. Koch Institut, dass sie von der Leistung sehr begeistert sind:
"Es bringt uns einem Schritt näher, eines Tages ein Tissue-Engineering-Herz zu schaffen, und es zeigt, wie neuartige Nanomaterialien in diesem Bereich eine Rolle spielen können." sagt Langer.
Die Sensoren bestehen aus Silizium-Nanodrähten und können zur Überwachung der elektrischen Aktivität im Gewebe um das Gerüst herum verwendet werden, so die Forscher.
Sie könnten auch verwendet werden, um die Freisetzung von Arzneistoffen zu kontrollieren, oder um die Wirkung neuer Arzneistoffe zu testen, zum Beispiel beim Schlagen von Herzgewebe.

3D Epoxy Scaffold mit Silizium-Nanodrähten

Die Forscher machten das 3D-Gerüst aus Epoxid, einem nicht-toxischen Material, und integrierten es mit Silizium-Nanodrähten, die elektrische Signale von und zu den in der Struktur gewachsenen Zellen transportieren.
Die Nanodrähte sind zwischen 30 und 80 Nanometer dick, das ist etwa 1.000 Mal dünner als menschliches Haar.
Sobald die Nanodrähte an ihrem Platz sind, wird das Gerüst mit Zellen besiedelt und das Ganze wächst schließlich zu 3D-Engineered-Gewebe, das mit mehreren winzigen Sensoren eingebettet ist.
Das Team entschied sich für Silizium für die Nanodrahtelektroden, da diese stabil und klein genug sind und sicher implantiert werden können. Sie sind auch elektrisch empfindlicher als Metalldrähte. Sie können eine elektrische Aktivität von weniger als einem Tausendstel Watt erkennen, was etwa dem Niveau einer einzelnen Zelle entspricht.

Überwachung von Zellen und Blutgefäßen

In dem Naturmaterialien Englisch: bio-pro.de/en/region/stern/magazin/...1/index.html In einem Vortrag beschreiben die Forscher, wie sie mit Hilfe von Elektroden - eingebetteten Gerüsten Herz -, Nerven - und Muskelgewebe züchten.
Im Herzgewebeexperiment beobachteten sie auch die Zellreaktion auf Noradrenalin, einen Neurotransmitter, der von Neuronen des Herzens freigesetzt wird, um die Herzfrequenz zu stimulieren.
In einem weiteren Experiment nutzte das Team die Nanodraht-eingebetteten Gerüste zum Wachstum von Blutgefäßen und zeigte, dass die eingebetteten Sensoren Veränderungen des pH-Werts innerhalb und außerhalb der Gefäße überwachen konnten.
Die Implantation eines solchen Geräts bei Patienten könnte Ärzten helfen, Entzündungen und andere biochemische Ereignisse zu überwachen.
Die Forscher wollen Gewebe entwickeln, das nicht nur elektrische und chemische Ereignisse überwacht, sondern auch auf sie reagiert, etwa durch Freisetzung eines Medikaments.

Ein solches Gerät würde sich ähnlich wie das autonome Nervensystem wie eine geschlossene Rückkopplungsschleife verhalten. Das System erkennt eine Änderung des Körpers und sendet eine Korrekturmaßnahme als Antwort.
Gordana Vunjak-Novakovic, Professorin für Biomedizintechnik an der Columbia University, sagt, dass es einen großen Bedarf an manipulierten Zellen gibt, die auf elektrische Reize reagieren. Zum Beispiel wäre es ein großer Schritt in Richtung neuer Wege zur Behandlung von Herz- und neurologischen Erkrankungen.
"Dies ist ein schönes Beispiel dafür, wie Nanoelektronik mit Tissue Engineering kombiniert werden kann, um das Verhalten von Zellen zu überwachen," sagt Vunjak-Novakovic, der nicht an der Studie beteiligt war.
Das Team wird nun die mechanischen Eigenschaften des Gerüsts testen, bevor es mit Tierversuchen fortfahren wird.
Gelder von den National Institutes of Health, der McKnight Foundation und dem Boston Children's Hospital halfen, die Studie zu finanzieren.
Geschrieben von Catharine Paddock