Cosa succede nei primi giorni dello sviluppo degli organi? Come si organizza un piccolo gruppo di cellule per diventare un cuore, un cervello, o un rene? Questo periodo critico di sviluppo è rimasto a lungo la scatola nera della biologia dello sviluppo, in parte perché nessun sensore era abbastanza piccolo o flessibile da osservare questo processo senza danneggiare le cellule.

Ora, ricercatori della Harvard John A. Paulson School of Engineering and Applied Sciences (SEAS) hanno coltivato organi semplificati noti come organoidi con sensori completamente integrati. Questi cosiddetti organoidi cyborg offrono uno sguardo raro sulle prime fasi dello sviluppo degli organi.

La ricerca è stata pubblicata su Nano lettere .

"Ero così ispirato dal processo di sviluppo naturale degli organi al liceo, in cui gli organi 3-D iniziano da poche cellule in strutture 2-D. Penso che se potessimo sviluppare una nanoelettronica così flessibile, estensibile, e morbido che possono crescere insieme al tessuto in via di sviluppo attraverso il loro naturale processo di sviluppo, i sensori incorporati possono misurare l'intera attività di questo processo di sviluppo, " ha detto Jia Liu, Assistant Professor di Bioingegneria presso SEAS e autore senior dello studio. "Il risultato finale è un pezzo di tessuto con un dispositivo su scala nanometrica completamente distribuito e integrato nell'intero volume tridimensionale del tessuto".

Questo tipo di dispositivo emerge dal lavoro che Liu ha iniziato come studente laureato nel laboratorio di Charles M. Lieber, il professore universitario di Joshua e Beth Friedman. Nel laboratorio di Lieber, Liu una volta sviluppato flessibile, nanoelettronica a maglia che potrebbe essere iniettata in regioni specifiche del tessuto.

Basandosi su quel disegno, Liu e il suo team hanno aumentato l'elasticità della nanoelettronica modificando la forma della rete da linee rette a strutture a serpentina (strutture simili sono utilizzate nell'elettronica indossabile). Quindi, il team ha trasferito la nanoelettronica mesh su un foglio 2-D di cellule staminali, dove le cellule coprivano e si intrecciavano con la nanoelettronica tramite forze di attrazione cellula-cellula. Quando le cellule staminali hanno iniziato a trasformarsi in una struttura tridimensionale, la nanoelettronica si è riconfigurata senza soluzione di continuità insieme alle cellule, risultando in organoidi 3-D completamente cresciuti con sensori incorporati.

Le cellule staminali sono state poi differenziate in cardiomiociti - cellule del cuore - e i ricercatori sono stati in grado di monitorare e registrare l'attività elettrofisiologica per 90 giorni.

"Questo metodo ci permette di monitorare continuamente il processo di sviluppo e capire come le dinamiche delle singole cellule iniziano a interagire e sincronizzarsi durante l'intero processo di sviluppo, " ha detto Liu. "Potrebbe essere usato per trasformare qualsiasi organoide in organoidi cyborg, compresi gli organoidi del cervello e del pancreas."

Oltre ad aiutare a rispondere a domande fondamentali sulla biologia, gli organoidi cyborg potrebbero essere utilizzati per testare e monitorare i trattamenti farmacologici specifici del paziente e potenzialmente utilizzati per i trapianti.