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  • Nanogeneradores electromecánicos bioinspirados para regular la actividad celular

    Ilustraciones esquemáticas de bio-NG de acoplamiento electromecánico que modulan la actividad celular inspiradas en ECM. (A) Las fibras de colágeno en ECM convierten la fuerza inherente de la célula en bioelectricidad, que también constituye la arquitectura 3D de ECM. Estas señales bioeléctricas son transmitidas por moléculas de señal llenas entre fibras de colágeno, por lo tanto, para regular la actividad celular y realizar la expresión funcional de las células. (B) Diagrama esquemático de las fibras piezoeléctricas bioinspiradas en bio-NG. La interacción de las células con bio-NG que emulan esta señal bioeléctrica en ECM induce, en respuesta a las fuerzas inherentes producidas por las células, un campo eléctrico local que estimula y modula su actividad celular. Crédito:Science Advances, 10.1126 / sciadv.abh2350

    La matriz extracelular (ECM), incluida la red tridimensional (3D) y la bioelectricidad, pueden influir profundamente en el desarrollo celular. migración, y expresión funcional. En un nuevo informe ahora publicado en Avances de la ciencia , Tong Li y un equipo de investigación en química, nanotecnología, bioelectrónica y materiales avanzados en China, desarrolló un bio-nanogenerador de acoplamiento electromecánico abreviado bio-NG inspirado en señales biofísicas de la matriz extracelular. El dispositivo contenía fibras piezoeléctricas altamente discretas para generar potencial piezoeléctrico. de hasta milivoltios para proporcionar estimulación eléctrica in situ a las células vivas.

    El espacio 3D único dentro de los bio-NG proporcionó un entorno similar a ECM para promover el crecimiento celular. Los bio-NG promovieron eficazmente la viabilidad y el desarrollo celular para mantener su expresión funcional específica. Los investigadores esperan que los bio-NG nuevos y avanzados imiten la complejidad de la matriz extracelular y proporcionen un sistema biológico in vivo fisiológicamente relevante. El dispositivo promovió eficazmente la viabilidad y el desarrollo celular para mantener su expresión funcional específica. Li y col. Esperamos que la nueva y avanzada versión de bio-nanogeneradores proporcione un sistema biológico in vivo fisiológicamente relevante para reemplazar sistemas 2D y modelos animales inexactos.

    Orientación para células

    En este trabajo, Li y col. describió una estrategia práctica para la estimulación eléctrica inalámbrica de células y tejidos para reparar y mantener la función celular. La bioelectricidad es una señal biofísica que proporciona una guía para el crecimiento y la diferenciación celular durante el desarrollo embrionario y la regeneración de tejidos. Existe bioelectricidad endógena en el citoplasma y el espacio extracelular, proporcionando a los científicos un recurso para la estimulación eléctrica de células excitables y regulando la actividad celular para aplicaciones biomédicas. La mayoría de los métodos de tratamiento requieren una entrada de energía externa y una conexión de cables para aplicar pulsos eléctricos externos a través de microdispositivos implantados. Los desarrollos recientes en nanotecnología han permitido tratamientos sin electrodos y sin baterías, que incluyen el uso de nanogeneradores para la estimulación cerebral, regeneración del cabello y cicatrización de heridas. Sin embargo, la mayoría de ellos requieren una solución bien aceptada para estimular eléctricamente las células funcionales. Li y col. por lo tanto, se inspiraron en la función biológica y la microestructura de las fibras de colágeno en la matriz extracelular para formar bio-NG compuestos de fibras electrohiladas piezoeléctricas altamente discretas para proporcionar a las células un microambiente físicamente relevante. La interacción bio-NG-célula se aplica a entornos in vivo para reducir la inflamación, inducir la proliferación de hepatocitos, y acelerar la angiogénesis, así como promover la reparación del hígado.

    Representación esquemática y análisis piezoeléctrico de bio-NGs. (A) Diagrama esquemático de la fabricación de fibras de Fe3O4 / PAN piezoeléctricas altamente discretas. Con la ayuda del imán de neodimio hierro boro, Se introdujeron nanopartículas magnéticas de Fe3O4 en una solución electrohilada de PAN para romper la tensión superficial del agua. (B) La capa conductora PEDOT se cargó con el método de polimerización in situ; Las nanohojas GO se adsorbieron en la capa más externa de fibras mediante la contribución de la fuerza de adsorción electrostática para formar las fibras objetivo GO / PEDOT / Fe3O4 / PAN. Imágenes de microscopía electrónica de transmisión de la fibra única obtenidas en cada paso. (C a E) Imágenes ópticas y de microscopía electrónica de barrido (SEM) de los bio-NG. El recuadro de (D) muestra la distribución del tamaño de los poros y la porosidad. El recuadro de (E) muestra el rango de distribución del diámetro de la fibra de las fibras GO / PEDOT / Fe3O4 / PAN. (F) Simulación de análisis de elementos finitos de fibras piezoeléctricas acopladas con una célula viva que genera un voltaje máximo de 141 mV cuando se tensa por una fuerza tangencial de 10 nN. (G) Potencial piezoeléctrico generado por una sola fibra en función de la fuerza celular tangencial aplicada. (H) Circuito resistor-condensador simplificado creado por el NG, la interfaz de la celda NG, y la membrana celular. (I) Imágenes de fase y amplitud PFM de microscopía de fuerza piezoeléctrica (PFM) de una sola fibra en bio-NG. (J) Histéresis de potencial eléctrico de fase y bucles de amplitud de mariposa de fibras en bio-NG, obtenido con un voltaje de CC que varía de −10 a 10 V. (K) Salidas de voltaje de los bio-NG bajo la misma fuerza de impacto de 1 N (azul) y bajo una vibración a 0,7 Hz (rojo). El recuadro representaba los métodos de impacto (izquierda) y vibración (derecha) utilizados para caracterizar las fibras en bio-NG. F, fuerza. Crédito de la foto:Chuanmei Shi, Universidad de Ciencia y Tecnología de Nanjing. Crédito:Science Advances, 10.1126 / sciadv.abh2350

    Formando los bio-NG electromecánicos bioinspirados .

    Durante los experimentos, el equipo de investigación introdujo nanopartículas magnéticas de óxido de hierro en poliacrilonitrilo para preparar fibras muy discretas para su uso como un dispositivo de electrohilado asistido magnéticamente. Durante el electrohilado, la configuración permitió la formación de andamios con poros bien interconectados y fibras discretas para la migración libre de células. Para preparar un microambiente más cercano al in vivo, el equipo también impartió bioelectricidad como señal biofísica. Para lograr esto, los científicos desarrollaron un andamio objetivo para promover la interacción celular y la adhesión con fibras. El acoplamiento electromecánico de bio-NG ensamblados por el andamio promovió la transmisión y comunicación de señales entre células para imitar los efectos bioeléctricos de las fibrillas o fibras de colágeno en la matriz extracelular. El equipo simuló y estudió el potencial piezoeléctrico generado a partir de la fuerza celular en bio-NG utilizando análisis de elementos finitos. Para lograr esto, aplicaron una fuerza de carga al contacto célula-fibra y primero midieron la piezoelectricidad de una sola fibra dentro de bio-NG utilizando microscopía de fuerza piezoeléctrica. Las señales de voltaje experimentales validaron la piezoelectricidad teórica de los bio-NG.

    Caracterizar los bio-NG y regular la actividad celular

    El crecimiento y desarrollo de neuronas RGC5 en bio-NG. (A) Proliferación de neuronas RGC5 por el ensayo de ADN en el día 1, 3, y 5. (B) Apoptosis de neuronas RGC5 después de 5 días de cultivo en bio-NG. (C) Crecimiento de neuritas de neuronas RGC5 por la longitud media de neuritas después de 5 días de cultivo en bio-NG. (D) Escaneo confocal 3D de neuronas RGC5 cultivadas en TCP, 2D NG, y fibras 3D. (E) Escaneo confocal 3D de neuronas RGC5 cultivadas en bio-NG desde diferentes perspectivas. (F) Fuerza celular inherente de las células vivas cultivadas en bio-NG. Esto induciría un campo eléctrico local proporcional al nivel de deformación que eventualmente podría alterar el potencial de membrana y / o la configuración de los receptores de membrana y dar como resultado la apertura de los canales de Ca2 +. Ins3P, trifosfato de inositol. SOCIEDAD ANÓNIMA, fosfolipasa C. (G) Las imágenes de fluorescencia de las células preincubadas con Fluo-4 AM (colorante permeable a la membrana y dependiente de Ca2 +) en las fibras en bio-NG y fibras 3D. Verde, Ca2 +. Todas las barras de error indican ± SD. Crédito:Science Advances, 10.1126 / sciadv.abh2350

    Para investigar la información de las fibras en bio-NG, el equipo utilizó espectros de infrarrojos por transformada de Fourier (FTIR) y difracción de rayos X (XRD). Luego estudiaron las propiedades termodinámicas de las fibras piezoeléctricas en bio-NG utilizando termogramas de calorimetría diferencial de barrido (DSC) y realizaron estudios de voltamogramas cíclicos para probar el almacenamiento de carga y las propiedades de transmisión de las fibras piezoeléctricas en bio-NG. Luego, el equipo probó la resiliencia a la compresión y las propiedades mecánicas de las fibras formando primero formas cilíndricas de ellas y comprimiendo los andamios para comprender la excelente resiliencia de las construcciones. Las propiedades mecánicas y la resiliencia de las fibras aseguraron que los bio-NG pudieran mantener de manera efectiva un tamaño de poro lo suficientemente grande y un microambiente de crecimiento 3D estable para el movimiento y el crecimiento celular. El equipo también investigó la interacción de las células NG en el espacio 3D con dos líneas celulares diferentes, incluidas

    células ganglionares retinianas 5 (RGC5) y hepatocitos primarios. Las células contenían canales de calcio dependientes de voltaje en sus membranas y otras eran células móviles con altas funciones metabólicas. Utilizando nanogeneradores bidimensionales (NG) y fibras 3D no piezoeléctricas, el equipo estudió los efectos del espacio 3D y la estimulación eléctrica en las células. Los datos mostraron cómo los bio-NG podrían proporcionar un microambiente de cultivo celular biofriendly para experimentos adicionales.

    Promoción de la reparación del hígado in vivo con bio-NG

    Promoción de la reparación hepática por bio-NG in vivo. (A) Imágenes quirúrgicas que muestran la implantación de los bio-NG en el defecto hepático. (B) Tinción H&E de las secciones de hígado en diferentes momentos (semanas 1, 2, y 4) después de la implantación. (C) Imágenes representativas de inmunotinción de fibrina hepática (ogen) (verde) en 4 ′, Secciones de hígado contrateñidas con 6-diamidino-2-fenilindol (DAPI) (azul) en el área implantada. (D) Porcentaje medio del área positiva medida a partir de la tinción H&E. (E) Cuantificación del etiquetado inmunofluorescente de fibrina hepática. (F) Inmunotinción para Alb (rojo) en secciones de hígado en diferentes puntos de tiempo (semanas 1, 2, y 4) después de la implantación. (G) Nivel de expresión de Alb medido a partir de inmunotinción de Alb. (H) Esquema que muestra tres zonas hepáticas desde la región periportal a la pericentral. 1, 2, y 3 indican zona 1 (E-CAD +), zona 2 (E-CAD─GS─), y zona 3 (GS +), respectivamente. La flecha punteada indica el flujo sanguíneo. (I y J) Inmunotinción para GS (verde) y E-CAD (rojo) en secciones de hígado en la cuarta semana después de la implantación. (K) Cuantificación de GS y E-CAD que muestra una expresión más fuerte de la función hepática de nuevos hepatocitos en bio-NG que la de fibras 3D. Hep hepatocito. Los asteriscos (*) muestran la ubicación de la implantación. Los datos se expresan como valores medios ± DE. n =5. ** P <0.01 y *** P <0,001. Crédito de la foto:Fei Jin, Universidad de Ciencia y Tecnología de Nanjing. Crédito:Science Advances, 10.1126 / sciadv.abh2350

    Luego, los científicos implantaron los bio-NG en un área de lesión hepática en relación con la regeneración de hepatocitos para reflejar su practicidad. Para lograr esto, utilizaron ratas Sprague-Dawley para inducir daño hepático. Después de cuatro semanas de implantar los bio-NG, el equipo retiró los implantes y estudió la inflamación mediante tinción histológica. Notaron una inflamación leve en la primera semana, que mejoró en la segunda semana y se redujo a niveles normales en la cuarta semana. Todos los demás órganos no mostraron deformación o invasión de células linfáticas anormales para indicar buenas condiciones de salud sin efectos secundarios sistemáticos. El proceso regenerativo observado destacó un nuevo sistema de circulación sanguínea que se formó dentro del tejido hepático regenerado para sugerir la interacción de los bio-NG con las células para reducir la inflamación y promover la reparación del tejido.

    Estabilidad y biocompatibilidad a largo plazo de bio-NG in vivo

    La interacción NG-célula promovió eficientemente la viabilidad celular y mantuvo su expresión funcional in vitro e in vivo para proporcionar una estrategia de tratamiento para ensayos clínicos. Para la regeneración de tejidos, es más eficaz trasplantar directamente células funcionales en el sitio dañado in vivo. Para estudios adicionales, el equipo implantó los bio-NG en el área del músculo gastrocnemio alrededor del nervio ciático de ratas para detectar la estabilidad de los bio-NG in vivo. Li y col. luego se retiraron los implantes después de ocho semanas y se analizó la inflamación para mostrar una buena biocompatibilidad de los bio-NG durante períodos prolongados de tiempo en entornos biológicos sin efectos secundarios sistémicos. Las construcciones son prometedoras como implantes para la reparación regenerativa in vivo.

    Estabilidad y biocompatibilidad in vivo de bio-NG. Imagen quirúrgica que muestra la implantación de los bio-NG en las áreas del músculo gastrocnemio (A) y del nervio ciático (B) de un ratón. (C) Tinción tricrómica de Masson de los músculos gastrocnemio en el área implantada. (D) Tinción inmunofluorescente de TNF-α del nervio ciático en el área implantada. (E) Porcentaje medio de fibras de colágeno en el tejido muscular medido a partir de la tinción de Masson. (F) Nivel de expresión relativo de TNF-α medido a partir de tinción inmunofluorescente de TNF-α. (G) Tinción H&E de órganos vitales (hígado, corazón, pulmón, riñón, y cerebro) en la semana 8 después de la implantación en el área del nervio ciático. Los datos se expresan como valores medios ± DE. n =5. *** P <0,001. Crédito de la foto:Tong Li, Universidad de Ciencia y Tecnología de Nanjing. Crédito:Science Advances, 10.1126 / sciadv.abh2350

    panorama

    De este modo, Tong Li y sus colegas desarrollaron bio-nanogeneradores de acoplamiento electromecánico de tipo matriz extracelular (bio-NG) para regular la actividad celular y mantener su expresión funcional específica. The product created a local voltage potential to stimulate living cells as long as they remained motile. The unique environment facilitated cell culture in bio-NGs to trigger the opening of ion channels present in the cellular plasma membrane to achieve electrical stimulation at the single-cell level. The process offers great potential for bioelectronic medicine and cell-targeted local electrical impulses. The new method can replace inaccurate 2D systems and time-consuming animal models to provide a biomimetic, physiological microenvironment for accelerated tissue regeneration and bioinspired electronic medicine.

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