Uma equipe de pesquisa multi-institucional desenvolveu um método para incorporar redes de fios em nanoescala biocompatíveis em tecidos projetados. Essas redes - que marcam a primeira vez que os eletrônicos e os tecidos foram verdadeiramente mesclados em 3D - permitem a detecção direta do tecido e, potencialmente, a estimulação, um benefício potencial para o desenvolvimento de tecidos projetados que incorporam recursos para monitoramento e estimulação, e de dispositivos para triagem de novos medicamentos.

A equipe de pesquisadores, liderada por Daniel Kohane, MD, PhD, no Departamento de Anestesia do Hospital Infantil de Boston; Charles M. Lieber, PhD, na Harvard University; e Robert Langer, ScD, no Instituto de Tecnologia de Massachusetts - relatou seu trabalho online em 26 de agosto em Materiais da Natureza .

Um dos principais desafios no desenvolvimento de tecidos de bioengenharia é a criação de sistemas para sentir o que está acontecendo (por exemplo, quimicamente, eletricamente) dentro de um tecido após ter sido cultivado e / ou implantado. De forma similar, os pesquisadores têm lutado para desenvolver métodos para estimular diretamente os tecidos modificados e medir as reações celulares.

"No corpo, o sistema nervoso autônomo acompanha o pH, química, oxigênio e outros fatores, e dispara respostas conforme necessário, "Kohane explicou." Precisamos ser capazes de imitar o tipo de loop de feedback intrínseco que o corpo desenvolveu, a fim de manter um controle preciso no nível celular e tecidual.

Com o sistema nervoso autônomo como inspiração, um pós-doutorado no laboratório Kohane, Bozhi Tian, PhD, e seus colaboradores construíram redes em forma de malha de fios de silício em nanoescala - cerca de 80 nm de diâmetro - em forma de planos planos ou em uma conformação reticular semelhante a um "algodão doce". As redes eram porosas o suficiente para permitir à equipe semear células e encorajar o crescimento dessas células em culturas 3D.

"Esforços anteriores para criar redes de detecção de bioengenharia concentraram-se em layouts 2D, onde as células de cultura crescem em cima de componentes eletrônicos, ou em layouts conformados onde as sondas são colocadas em superfícies de tecido, "disse Tian." É desejável ter uma imagem precisa do comportamento celular dentro da estrutura 3D de um tecido, e também é importante ter sondas em nanoescala para evitar a interrupção da arquitetura celular ou do tecido. "

"Os métodos atuais que temos para monitorar ou interagir com os sistemas vivos são limitados, "disse Lieber." Podemos usar eletrodos para medir a atividade em células ou tecidos, mas isso os prejudica. Com esta tecnologia, pela primeira vez, podemos trabalhar na mesma escala que a unidade do sistema biológico sem interrompê-lo. Em última análise, trata-se de fundir o tecido com a parte eletrônica de uma forma que torna difícil determinar onde termina o tecido e onde começa a parte eletrônica. "

"Até agora, este é o mais próximo que chegamos de incorporar em tecidos projetados componentes eletrônicos próximos ao tamanho das estruturas da matriz extracelular que envolve as células dentro dos tecidos, "Kohane acrescentou.

Usando células cardíacas e nervosas como material de origem e uma seleção de revestimentos biocompatíveis, a equipe projetou tecidos com sucesso contendo redes em nanoescala incorporadas sem afetar a viabilidade ou atividade das células. Por meio das redes, os pesquisadores puderam detectar sinais elétricos gerados por células nas profundezas dos tecidos projetados, bem como medir mudanças nesses sinais em resposta a drogas cardio ou neuroestimulantes.

Por último, a equipe demonstrou que eles poderiam construir vasos sanguíneos de bioengenharia com redes incorporadas e usar essas redes para medir as mudanças de pH dentro e fora dos vasos, como seria visto em resposta à inflamação, isquemia e outros ambientes bioquímicos ou celulares.

"Esta tecnologia pode virar de cabeça para baixo alguns princípios básicos da bioengenharia, "Disse Kohane." Na maioria das vezes, por exemplo, seu objetivo é criar andaimes para cultivar tecidos e depois fazer com que esses andaimes se degradem e se dissolvam. Aqui, o andaime permanece, e realmente desempenha um papel ativo. "

Os membros da equipe veem vários aplicativos futuros para esta tecnologia, de tecidos híbridos de "ciborgue" modificados por bioengenharia que detectam mudanças dentro do corpo e desencadeiam respostas (por exemplo, liberação de drogas, estimulação elétrica) de outros dispositivos terapêuticos ou diagnósticos implantados, para o desenvolvimento de sistemas "lab-on-a-chip" que usariam tecidos projetados para a triagem de bibliotecas de drogas.