Кибернетическая технология анализирует функциональное созревание тканей сердца из стволовых клеток

Новые разработки Гарвардской школы инженерии и прикладных наук (SEAS) впервые позволили отслеживать функциональное развитие и созревание кардиомиоцитов — клеток, регулирующих сердцебиение, — на уровне отдельной клетки с помощью тканевых наноэлектронных устройств. Гибкие и растяжимые устройства, способные бесшовно интегрироваться с живыми клетками, создавая «киборгов», описаны в статье в Science Advances.

Мониторинг в 3D с помощью наноэлектроники

Команда под руководством Цзя Лю разработала сетчатые, минимально инвазивные гибкие наноэлектронные сенсоры, предназначенные для встраивания в естественные ткани без нарушения нормального роста или функции клеток. Идея была вдохновлена процессом складывания нервной трубки во время развития эмбриона.

В новом исследовании лаборатория Лю объединилась с командой Ричарда Ли из Гарвардского института стволовых клеток. Учёные использовали наноэлектронику для мониторинга электрической активности кардиомиоцитов, полученных из стволовых клеток. Клетки культивировали на листе из коммерчески доступного клеточного матрикса «Matrigel» и сетчатого наноэлектронного сенсора с гибкой сеткой микроэлектродов. По мере роста клеток в трёхмерную органоидную структуру лист легко растягивался.

Ключевая роль эндотелиальных клеток

В ходе in vitro экспериментов команда обнаружила, что клетки эндотелия (выстилки сосудов) играют ранее недооцененную, но решающую роль в быстром и функциональном созревании кардиомиоцитов. При совместном культивировании в 3D-матриксе сердечной ткани кардиомиоциты в присутствии эндотелиальных клеток претерпели «экстраординарное электрическое созревание».

За семь недель наблюдений выяснилось, что близость к эндотелиальным клеткам оказывает прямое влияние:

• Кардиомиоциты, культивируемые рядом с эндотелиальными клетками, созревали быстрее.
• Они демонстрировали электрические характеристики, типичные для здоровой сердечной ткани.

Это открытие особенно значимо, поскольку незрелые трансплантированные кардиомиоциты в животных моделях часто бьются в собственном ритме, что может вызывать опасные аритмии.

Новые платформенные технологии

В работе также описано использование нового машинного обучения для анализа электрической активности, записанной устройствами. Это позволяет непрерывно отслеживать электрические волны от созревающих клеток и лучше понимать влияние микроокружения ткани на электрическую стабильность.

По словам Лю, наноэлектронные устройства и анализ на основе ИИ представляют собой новые платформенные технологии для мониторинга и управления имплантатами из тканей, полученных из стволовых клеток. В будущем такие «киборги» в сердечных тканях могли бы работать как наноразмерный кардиостимулятор: обнаруживать аномальную активность и с помощью целенаправленного воздействия корректировать ритм имплантированных клеток, синхронизируя его с остальным сердцем.

Этот подход также может быть адаптирован для других тканей (например, нейрональных или панкреатических органоидов) и использован для скрининга лекарств, обеспечивая непрерывный анализ реакции тканей на уровне отдельных клеток.