Биологи придумали, как вырастить из стволовых клеток киборганоиды

Органоид-"киборг" из кардиомиоцитов со встроенной наноэлектронной сеткой.

Фото Jia Liu/Harvard SEAS.

Наноэлектронная сетка, встроенная в органоиды, имеет извилистую структуру, что позволяет ей растягиваться, сохраняя при этом все рабочие характеристики.

Фото Jia Liu/Harvard SEAS.

Что происходит в первые дни развития органов? Как небольшая группа клеток превращается в сердце, мозг или почку? Как на тот или иной орган человека подействует то или иное лекарство?

На эти вопросы учёные пытаются ответить, создавая миниатюрные трёхмерные модели органов человека, известные как "органы-на-чипе" ("Вести.Наука" следят за инновациями в этой сфере). Из таких органов, выращенных за последние несколько лет, учёные даже попытались создать единый "организм-на-чипе".

Считается, что эксперименты с такими моделями помогут исследователям и медикам не только больше узнать о ключевых биологических процессах в организме, но и понять природу многих заболеваний, проверить действие тех или иных лекарств. Такие испытания могут быть более информативными, чем тесты с плоскими культурами клеток, выращенными в чашках Петри, и даже эксперименты на животных.

Впрочем, есть один важный нюанс. Результаты исследований и с модельными животными, и с культурами клеток, и даже с "органами-на-чипе" не всегда соотносятся с клиническими.

Есть и ещё одна проблема. До сих пор не существует датчиков, которые были бы достаточно миниатюрными и гибкими, чтобы с их помощью можно было наблюдать за ключевыми биологическими процессами без повреждения клеток.

Решение этой проблемы предложили исследователи из Гарвардской школы технических и прикладных наук имени Джона Полсона. Они создали упрощённые органы с полностью интегрированными в них датчиками. Их назвали органоиды-киборги, или киборганоиды.

Цель заключалась в разработке наноэлектроники, которая будет настолько гибкой, растяжимой и мягкой, что датчики смогут "расти" вместе с тканью в ходе её естественного развития, попутно фиксируя всю активность "хозяина", поясняет старший автор исследования Цзя Лю (Jia Liu).

Сперва он вместе с коллегами создал гибкую сеть наноэлектронных датчиков, которую можно вводить в определённые области ткани.

Затем команда увеличила показатели растяжимости, изменив строение сетки: вместо прямых линий появились змеевидные структуры (подобные используются в носимой электронике).

На следующем этапе специалисты поместили эту сетку на двумерный пласт стволовых клеток. Когда последние начали превращаться в трёхмерные органоидные структуры, электронная сетка подстраивалась под этот процесс, изменяя свою конфигурацию. В результате были выращены 3D-органоиды с полностью интегрированными датчиками (клетки "заселили" эту извилистую сеть).

"Конечным результатом является кусок ткани с наноразмерным устройством внутри, полностью распределённым и интегрированным по всему трёхмерному объёму ткани", – сообщает Цзя Лю.

Наноэлектронная сетка, встроенная в органоиды, имеет извилистую структуру, что позволяет ей растягиваться, сохраняя при этом все рабочие характеристики.

В последующем эксперименте исследователи дифференцировали стволовые клетки в мышечные клетки сердца, кардиомиоциты. После этого встроенные датчики использовали для мониторинга и регистрации активности клеток в течение 90 дней.

"Этот метод позволит нам непрерывно контролировать процесс развития и понимать, как отдельные клетки начинают взаимодействовать и синхронизироваться в течение всего процесса развития [органа]. Его можно использовать для превращения любого органоида в киборганоид, включая органоиды мозга и поджелудочной железы", – отметил Цзя Лю.

Его команда надеется, что благодаря органоидам-киборгам можно будет не только получить ответы на фундаментальные вопросы биологии, но и выявить новые стратегии разработки эффективных лекарств и других методов лечения.

Кроме того, киборганоиды могут использоваться для тестирования новых препаратов и мониторинга действия лекарств на организм конкретных пациентов.

Подробнее об инновационной разработке рассказывается в статье, представленной в журнале Nano Letters.

Кстати, ранее "Вести.Наука" (nauka.vesti.ru) сообщали о создании первой искусственной репродуктивной системы "на чипе", которая имитирует женский менструальный цикл. Также мы рассказывали о создании мышиных аватаров людей, на которых будут тестироваться лекарства от рака.