‘Cyborgweefsel’ komt tot leven

‘Cyborgweefsel’ komt tot leven

Het kweken van weefsels is niet nieuw. Maar het kweken van weefsels waarin draden en sensoren zitten die van elke individuele cel de elektrische activiteit in het oog houden wel. Wetenschappers van de Harvard Universiteit kregen dat voor elkaar. In de toekomst kan de elektronica wellicht het gedrag van de cel beïnvloeden.

Het was nog nooit iemand gelukt om elektronische onderdelen naadloos met biologische materialen te verweven. Maar onderzoekers van de Harvard Universiteiten het Massachusetts Institute of Technology (MIT) hebben nu een methode ontwikkeld om elektronica in te lijven in levend weefsel. Robotachtige mensen zoals de man hiernaast op het plaatje zijn er niet mee te maken, maar de minuscule ‘cyborgweefsels’ hebben een hoop te bieden voor geneeskundig onderzoek.

Seintje naar de cel

Wetenschappers zijn al jaren bezig met het kweken van organen en weefsels in het laboratorium, met als doel beschadigde weefsels in patiënten te vervangen, of om er nieuwe medicijnen op uit te testen. Een grote uitdaging in hun werk is het bedenken van een systeem dat kan waarnemen wat er chemisch en elektrisch gezien in zo’n weefsel gebeurt, nadat het gekweekt of geïmplanteerd is.

In ons lichaam is het de klus van het onbewuste, oftewel autonome zenuwstelsel om precies bij te houden wat bijvoorbeeld de pH of het zuurstofgehalte is, ergens in het lichaam. Wijken de waarden af, dan spelen zenuwcellen deze informatie via elektrische impulsen door naar de hersenen. Die geven vervolgens een seintje naar het lichaam om er wat aan te doen. Deze lichaamseigen terugkoppeling proberen wetenschappers na te maken in gekweekte organen.

Hierbij lag de focus tot nu toe op 2D-methoden waarbij cellen bovenop de elektronische onderdelen groeiden. Maar dat levert alleen informatie afkomstig van de oppervlakte van een weefsel. Het Amerikaanse onderzoeksteam heeft nu een manier gevonden om elektronica driedimensionaal met levend weefsel te verweven.

Half robot, half mens

Hierbij vlochten ze metalen nanodraadjes van tachtig nanometer dik – dat is ongeveer duizend keer zo klein als de dikte van een menselijke haar – samen tot een gaasachtig netwerk. Op de nanodraadjes zaten kleine sensoren van silicium die elektrische activiteit waarnamen.

Het buigzame gaasje vouwden of rolden ze in de gewenste driedimensionale structuur, zoals in de vorm van een bloedvat. Vervolgens werd het gaasje bezaaid met rattencellen die via de gaatjes ook in het binnenste van de structuur terechtkwamen. Het resultaat? Een weefsel dat half robot, half rat was.

Het team testte hun systeem met levende hart-, spier- en zenuwcellen van ratten. Zo mat het systeem dat hartcellen sneller gaan kloppen door er een medicijn bij te doen dat het samentrekken van hartcellen stimuleert. Het cyborgweefsel gedraagt zich dus als een echt hart, en is in staat veranderingen waar te nemen. Zelfs signalen afkomstig van de diepst gelegen cellen waren op te pikken zonder dat de elektronica de levensvatbaarheid of acitviteit van de cellen aantastte.

Het mooiste komt nog: de onderzoekers kweekten een menselijk bloedvat van anderhalve centimeter lang, met daarin de nanodraden. Door de elektrische signalen binnen en buiten het vat te meten – iets wat voorheen onmogelijk was – pikten de onderzoekers elektrische patronen op. Zulke patronen kunnen allerlei medische hints geven, zoals de aanwezigheid van een ontsteking of een dreigende hartziekte.

Denkende weefsels

Omdat het systeem de reactie van cellen op een nieuw medicijn live volgt, kan het cyborgweefsel het effect van medicijnen in menselijke weefsels testen. Zonder de medicijnen ooit in een echt mens uit te hoeven proberen. Daarnaast zou je stukjes cyborgweefsel op de oppervlakte van bijvoorbeeld een hart kunnen plakken, zodat ze verslag kunnen uitbrengen aan een dokter over de functie van een orgaan of weefsel.

Maar als ultiem doel heeft het team het volgende voor ogen. Tot nu toe is de elektronica alleen gebruikt om de signalen van cellen op te nemen. Maar in de toekomst moet het cyborgweefsel ook commando’s kunnen gaan geven, als reactie op de opgepikte celsignalen. Kloppen de hartcellen bijvoorbeeld te langzaam? Dan zou zo’n stukje cyborgweefsel deze cellen elektrisch kunnen stimuleren.

De wetenschappers gaan daarom in vervolgonderzoek proberen om elektronische onderdelen aan het systeem toe te voegen die met het zenuwstelsel kunnen ‘praten’.

Bron:

Bozhi Tian e.a., Macroporous nanowire nanoelectronic scaffolds for synthetic tissues, Nature Materials (26 augustus 2012, online).

Dit nieuwsbericht verscheen 29 augustus 2012 op Kennislink

Reageer