ПРИХОВАТИ

Кіборги-органоїди: вчені поєднали живі клітини з наноелектронікою

Джерело: HARVARD SEAS.

Дослідники з Гарвардської школи інженерії та прикладних наук ім. Джона А. Полсона стверджують, що створили кібернетичні органоїди – штучно вирощені органоподібні структури, пронизані наноелектронікою.

Багато сучасних винаходів донедавна здавалися далекими від реальності, а їхнє існування обмеженим науковою фантастикою. Схоже, те саме сталося і з кіборгами. Звісно, поки що мова йде не про повноцінний кібернетичний організм, який є поєднанням живого та машини. Дослідники експериментують лише на рівні тканин. Але, можливо, ми спостерігаємо перші кроки в цьому напрямку.

Головний автор дослідження зі створення кібернетичних органоїдів розповів, що його дуже вразив процес розвитку тканин та органів людини всього з декількох клітин. Багато питань у клітинній біології ще й досі залишаються без відповідей. Певною мірою через те, що дослідникам важко здійснити вимірювання окремих клітин усередині живої тканини, особливо безперервно спостерігати за її розвитком, оскільки є труднощі з тим, щоб прикріпити до них якісь датчики, що були б достатньо малими та не пошкоджували саму клітину чи втручалися у її життєдіяльність або показники вимірювань.

“Мене у середній школі дуже надихнув процес природного розвитку органів, коли тривимірні органи утворюються з декількох клітин у двовимірних структурах. Я думаю, якщо ми можемо розробити наноелектроніку, настільки гнучку, розтяжну та м’яку, що вона зможе зростати разом із тканиною, що природно розвивається, вбудовані датчики зможуть виміряти всю активність цього процесу розвитку. А кінцевим результатом є шматок тканини з нанорозмірним пристроєм, повністю розподіленим та інтегрованим у всьому тривимірному об’ємі тканини.

– розповів доцент біоінженерії в Гарвардській школі інженерії та головний автор дослідження Цзя Лю.

Секрет успіху

Ключовими для реалізації цього задуму є властивості наноелектроніки. Щоб мати змогу вбудувати її по всьому об’єму органоїда, що розвивається, вона повинна бути достатньо гнучкою. Вчені досягли цього надавши електроніці хвилеподібну форму, що нагадує тенета з переплетеними волокнами.

Готовий зразок наноелектроніки, як показали досліди, здатен розтягуватися на 30% у площині та стискатися до розмірів, у кілька разів менших від початкового. Саме це дозволяє їй підлаштовуватися до сильних змін об’єму під час органотворення. До того ж датчикам на ній властивий низький імпеданс та діаметр 20 мкм, приблизно такий діаметр і окремої клітини. А це означає, що можна проводити локалізовані нетравматичні електрофізіологічні виміри на рівні окремих клітин.

Демонстрація гнучкості та еластичності пристрою. Джерело: HARVARD SEAS.

Процес створення органоїдів-кіборгів починається з того, що сітчасту матрицю наноелектроніки накладають на 2D шар стовбурових клітин (етап І). Внаслідок злипання, розмноження та міграції, клітини наче обростають навколо наноелектроніки. Після цього, як зазначають вчені, об’єднання електроніки та клітин відбулося успішно, оскільки подальші процеси видозміни у тривимірну структуру відбувалися невіддільно.

На шляху до розвитку в органоїд багатоклітинний зародок набув спочатку форму миски, а згодом сфери. Разом із деформацією зародка, наноелектронна сітка завдяки своїй гнучкості та здатності розтягуватися рівномірно, розподіляється по всій тканині. У результаті, дослідники отримали повністю сформований 3D органоїд із вбудованими датчиками чи стимуляторами з мінімальним втручанням – кіборганоїд.

Формування кіберорганоїда. Джерело: Harvard SEAS . Адаптовано: Science Ukraine.

Від теорії до практики

Усі ці етапи дослідники провели на культурі мезенхімальних стовбурових клітин людини (під час розвитку зародка вони можуть давати початок клітинам кісток, хрящів, м’язів чи жировим клітинам) разом із клітинами, що запустили процес їх перетворення у клітини серцевого м’яза – кардіоміоцити. Далі все йшло за алгоритмом вище: вчені наклали нанопристрій на плоский шар стовбурових клітин, які природним чином стали конденсуватися на ньому. Щоб утворився 3D органоїд-кіборг потрібно було близько 72 годин, або трьох діб.

Поетапне зображення утворення кіборга-органоїда з різним збільшенням: на першому фото – межі шару клітин, на другому – межі клітинної пластинки. Джерело: HARVARD SEAS.

Навіть після 40 днів наноелектроніка залишалася повністю імплантованою усередині тканини на межі зовнішніх шарів клітин та серединної частини і була абсолютно функціональною. Її гнучкість та еластичність дозволяла пристрою скорочуватися в такт серцевому органоїду.

Джерело: HARVARD SEAS.

Загалом вчені аж 90 днів могли прослідковувати електрофізіологічну активність кардіоміоцитів органоїда під час всього процесу розвитку.

“Цей метод дозволяє нам весь час контролювати процес розвитку та зрозуміти, як динаміки окремих клітин починають взаємодіяти та синхронізуватися протягом усього процесу розвитку. Метод може бути використаний для перетворення будь-яких органоїдів в кібернетичні, зокрема органоїди мозку чи підшлункової залози”,

– зазначив Цзя Лю.

Винахід безперечно може стати важливим кроком до кращого розуміння процесів функціонування і розвитку клітин. Але цей метод потенційно може стати в пригоді й у персоналізованій медицині. Наприклад, вирощуючи органоїди з клітин окремого пацієнта можна проаналізувати, як він реагуватиме на лікування конкретними препаратами. Самі дослідники не приховують піднесення та стверджують, що кібернетичні органоїди в майбутньому буде можливо пристосувати навіть для трансплантацій.

Nano Letters (2019), doi: 10.1021/acs.nanolett.9b02512.

Якщо ви знайшли помилку, будь ласка, виділіть фрагмент тексту та натисніть Ctrl+Enter.

Total
79
Shares
79 Shares:
Залишити відповідь

Ваша e-mail адреса не оприлюднюватиметься. Обов’язкові поля позначені *

Перегляньте також