Un team di ricerca multi-istituzionale ha sviluppato un metodo per incorporare reti di fili biocompatibili su nanoscala all'interno di tessuti ingegnerizzati. Queste reti, che segnano la prima volta che l'elettronica e i tessuti sono stati veramente uniti in 3D, consentono il rilevamento diretto dei tessuti e la potenziale stimolazione, un potenziale vantaggio per lo sviluppo di tessuti ingegnerizzati che incorporano capacità di monitoraggio e stimolazione, e di dispositivi per lo screening di nuovi farmaci.

Il team di ricercatori, guidato da Daniel Kohane, dottore, dottorato di ricerca, nel Dipartimento di Anestesia del Boston Children's Hospital; Charles M. Lieber, dottorato di ricerca, all'Università di Harvard; e Robert Langer, ScD, presso il Massachusetts Institute of Technology, hanno riportato il loro lavoro online il 26 agosto in Materiali della natura .

Una delle principali sfide nello sviluppo di tessuti bioingegnerizzati è la creazione di sistemi per rilevare cosa sta succedendo (ad es. chimicamente, elettricamente) all'interno di un tessuto dopo che è stato coltivato e/o impiantato. Allo stesso modo, i ricercatori hanno lottato per sviluppare metodi per stimolare direttamente i tessuti ingegnerizzati e misurare le reazioni cellulari.

"Nel corpo, il sistema nervoso autonomo tiene traccia del pH, chimica, ossigeno e altri fattori, e innesca le risposte necessarie, "Spiegava Kohane. "Dobbiamo essere in grado di imitare il tipo di circuiti di feedback intrinseci che il corpo ha sviluppato per mantenere un controllo preciso a livello cellulare e tissutale".

Con il sistema nervoso autonomo come ispirazione, un borsista post-dottorato nel laboratorio Kohane, Bozhi Tian, dottorato di ricerca, e i suoi collaboratori hanno costruito reti simili a maglie di fili di silicio su scala nanometrica - circa 80 nm di diametro - a forma di piani piatti o in una conformazione reticolare simile a "zucchero filato". Le reti erano abbastanza porose da consentire al team di seminare cellule e incoraggiare quelle cellule a crescere in colture 3D.

"Gli sforzi precedenti per creare reti di rilevamento bioingegnerizzati si sono concentrati su layout 2D, dove le cellule di coltura crescono sopra i componenti elettronici, o su layout conformi in cui le sonde sono posizionate su superfici tissutali, " ha detto Tian. "È desiderabile avere un quadro accurato del comportamento cellulare all'interno della struttura 3D di un tessuto, ed è anche importante disporre di sonde su scala nanometrica per evitare l'interruzione dell'architettura cellulare o tissutale".

"I metodi attuali che abbiamo per monitorare o interagire con i sistemi viventi sono limitati, " ha detto Lieber. "Possiamo usare elettrodi per misurare l'attività nelle cellule o nei tessuti, ma questo li danneggia. Con questa tecnologia, per la prima volta, possiamo lavorare alla stessa scala dell'unità del sistema biologico senza interromperlo. In definitiva, si tratta di fondere il tessuto con l'elettronica in un modo che diventa difficile determinare dove finisce il tessuto e inizia l'elettronica".

"Finora, questo è quanto di più vicino siamo arrivati ​​a incorporare nei tessuti ingegnerizzati componenti elettronici vicini alle dimensioni delle strutture della matrice extracellulare che circonda le cellule all'interno dei tessuti, "ha aggiunto Kohane.

Utilizzando cellule cardiache e nervose come materiale di partenza e una selezione di rivestimenti biocompatibili, il team ha ingegnerizzato con successo tessuti contenenti reti nanometriche incorporate senza influenzare la vitalità o l'attività delle cellule. Attraverso le reti, i ricercatori potrebbero rilevare i segnali elettrici generati dalle cellule in profondità all'interno dei tessuti ingegnerizzati, oltre a misurare i cambiamenti in quei segnali in risposta a farmaci cardio o neurostimolanti.

Infine, il team ha dimostrato di poter costruire vasi sanguigni bioingegnerizzati con reti incorporate e utilizzare tali reti per misurare i cambiamenti di pH all'interno e all'esterno dei vasi, come si vedrebbe in risposta all'infiammazione, ischemia e altri ambienti biochimici o cellulari.

"Questa tecnologia potrebbe capovolgere alcuni principi di base della bioingegneria, " disse Kohane. "La maggior parte delle volte, ad esempio, il tuo obiettivo è creare impalcature su cui far crescere i tessuti e poi far degradare e dissolvere quelle impalcature. Qui, il patibolo resta, e svolge effettivamente un ruolo attivo."

I membri del team vedono molteplici applicazioni future per questa tecnologia, da tessuti ibridi "cyborg" bioingegnerizzati che percepiscono i cambiamenti all'interno del corpo e innescano risposte (ad es. rilascio di farmaci, stimolazione elettrica) da altri dispositivi terapeutici o diagnostici impiantati, allo sviluppo di sistemi "lab-on-a-chip" che utilizzerebbero tessuti ingegnerizzati per lo screening delle librerie di farmaci.