Кибернетические органоиды открывают редкую возможность наблюдать ранние стадии развития

Что происходит в первые дни развития органов? Как небольшая группа клеток организуется, чтобы стать сердцем, мозгом или почкой? Этот критический период развития долгое время оставался "чёрным ящиком" биологии развития, отчасти потому, что не существовало сенсоров, достаточно маленьких и гибких, чтобы наблюдать за процессом, не повреждая клетки.

Исследователи из Гарвардской школы инженерии и прикладных наук (SEAS) вырастили упрощённые органы, известные как органоиды, с полностью интегрированными сенсорами. Эти так называемые кибернетические органоиды дают редкую возможность заглянуть в ранние стадии органогенеза.

Исследование опубликовано в Nano Letters.

"Меня так вдохновил естественный процесс развития органов, который я изучал ещё в школе, когда трёхмерные органы начинаются с нескольких клеток в 2-D структурах. Я подумал, что если мы сможем создать наноэлектронику, настолько гибкую, растяжимую и мягкую, что она сможет расти вместе с развивающейся тканью в ходе её естественного развития, то встроенные сенсоры смогут измерить всю активность этого процесса. Конечный результат — фрагмент ткани с наноразмерным устройством, полностью распределённым и интегрированным по всему трёхмерному объёму ткани", — сказал Цзя Лю, старший автор исследования.

Это устройство стало развитием работы, которую Лю начал ещё аспирантом в лаборатории Чарльза М. Либера. Там он разработал гибкую наноэлектронику в виде сетки, которую можно было вводить в определённые области ткани.

Основываясь на этом дизайне, команда Лю увеличила растяжимость наноэлектроники, изменив форму сетки с прямых линий на серпантинные структуры (аналогичные используются в носимой электронике). Затем сетку наноэлектроники перенесли на 2-D лист стволовых клеток, где клетки покрыли и переплелись с ней благодаря силам клеточной адгезии. Когда стволовые клетки начали превращаться в 3-D структуру, наноэлектроника бесшовно переконфигурировалась вместе с клетками, в результате чего были получены полностью выращенные 3-D органоиды со встроенными сенсорами.

Стволовые клетки затем дифференцировали в кардиомиоциты (клетки сердца), и исследователи смогли наблюдать и записывать их электрофизиологическую активность в течение 90 дней.

"Этот метод позволяет нам непрерывно отслеживать процесс развития и понимать, как динамика отдельных клеток начинает взаимодействовать и синхронизироваться на протяжении всего процесса. Его можно использовать для превращения любого органоида, включая мозговые и панкреатические, в кибернетические органоиды", — сказал Лю.

Помимо помощи в решении фундаментальных вопросов биологии, кибернетические органоиды можно использовать для тестирования и мониторинга персонализированной лекарственной терапии, а в потенциале — и для трансплантации.