Un equipo de investigación multiinstitucional ha desarrollado un método para incrustar redes de alambres a nanoescala biocompatibles dentro de tejidos diseñados. Estas redes, que marcan la primera vez que la electrónica y los tejidos se fusionan verdaderamente en 3D, permiten la detección directa de tejidos y la estimulación potencial. una bendición potencial para el desarrollo de tejidos diseñados que incorporan capacidades de monitoreo y estimulación, y de dispositivos para la detección de nuevos fármacos.

El equipo de investigadores, dirigido por Daniel Kohane, MARYLAND, Doctor, en el Departamento de Anestesia del Boston Children's Hospital; Charles M. Lieber, Doctor, en la Universidad de Harvard; y Robert Langer, ScD, en el Instituto de Tecnología de Massachusetts — informó sobre su trabajo en línea el 26 de agosto en Materiales de la naturaleza .

Uno de los principales desafíos en el desarrollo de tejidos de bioingeniería es la creación de sistemas para detectar lo que está sucediendo (por ejemplo, químicamente, eléctricamente) dentro de un tejido después de que haya crecido y / o implantado. Similar, Los investigadores han luchado por desarrollar métodos para estimular directamente los tejidos diseñados y medir las reacciones celulares.

"En el cuerpo, el sistema nervioso autónomo realiza un seguimiento del pH, química, oxígeno y otros factores, y desencadena respuestas según sea necesario, ", Explicó Kohane." Necesitamos ser capaces de imitar el tipo de bucles de retroalimentación intrínseca que el cuerpo ha desarrollado para mantener un control fino a nivel celular y tisular ".

Con el sistema nervioso autónomo como inspiración, un becario postdoctoral en el laboratorio de Kohane, Bozhi Tian, Doctor, y sus colaboradores construyeron redes en forma de malla de alambres de silicio a nanoescala —de unos 80 nm de diámetro— con forma de planos planos o en una conformación reticular similar a un "algodón de azúcar". Las redes eran lo suficientemente porosas como para permitir que el equipo las sembrara con células y alentara a esas células a crecer en cultivos 3D.

"Los esfuerzos anteriores para crear redes de detección de bioingeniería se han centrado en diseños 2D, donde las células de cultivo crecen sobre componentes electrónicos, o en diseños conformes donde las sondas se colocan en superficies de tejido, ", dijo Tian." Es deseable tener una imagen precisa del comportamiento celular dentro de la estructura 3D de un tejido, y también es importante tener sondas a nanoescala para evitar la interrupción de la arquitectura celular o tisular ".

"Los métodos actuales que tenemos para monitorear o interactuar con los sistemas vivos son limitados, ", dijo Lieber." Podemos usar electrodos para medir la actividad en células o tejidos, pero eso los daña. Con esta tecnología, por primera vez, podemos trabajar a la misma escala que la unidad del sistema biológico sin interrumpirla. Por último, se trata de fusionar el tejido con la electrónica de manera que resulte difícil determinar dónde termina el tejido y dónde comienza la electrónica ".

"Hasta ahora, esto es lo más cerca que hemos estado de incorporar en los tejidos diseñados componentes electrónicos cercanos al tamaño de las estructuras de la matriz extracelular que rodea las células dentro de los tejidos, "Añadió Kohane.

Utilizando células cardíacas y nerviosas como material de origen y una selección de recubrimientos biocompatibles, El equipo diseñó con éxito tejidos que contienen redes de nanoescala integradas sin afectar la viabilidad o actividad de las células. A través de las redes, los investigadores pudieron detectar señales eléctricas generadas por células en lo profundo de los tejidos diseñados, así como medir cambios en esas señales en respuesta a fármacos cardioestimulantes o neuroestimulantes.

Finalmente, El equipo demostró que podían construir vasos sanguíneos de bioingeniería con redes integradas y usar esas redes para medir los cambios de pH dentro y fuera de los vasos, como se vería en respuesta a la inflamación. isquemia y otros entornos bioquímicos o celulares.

"Esta tecnología podría cambiar algunos principios básicos de la bioingeniería, "Dijo Kohane." La mayoría de las veces, por ejemplo, su objetivo es crear andamios en los que hacer crecer los tejidos y luego hacer que esos andamios se degraden y se disuelvan. Aquí, el andamio se queda, y de hecho juega un papel activo ".

Los miembros del equipo ven múltiples aplicaciones futuras para esta tecnología, de tejidos híbridos "cyborg" de bioingeniería que detectan cambios dentro del cuerpo y desencadenan respuestas (p. ej., liberación de drogas, estimulación eléctrica) de otros dispositivos terapéuticos o de diagnóstico implantados, al desarrollo de sistemas de "laboratorio en un chip" que utilizarían tejidos diseñados para la detección de bibliotecas de fármacos.