A matriz extracelular (ECM) incluindo rede tridimensional (3D) e bioeletricidade pode influenciar profundamente o desenvolvimento celular, migração, e expressão funcional. Em um novo relatório agora publicado em Avanços da Ciência , Tong Li e uma equipe de pesquisa em química, nanotecnologia, bioeletrônica e materiais avançados na China, desenvolveram um bio-nanogerador de acoplamento eletromecânico abreviado como bio-NG inspirado nas pistas biofísicas da matriz extracelular. O dispositivo continha fibras piezoelétricas altamente discretas para gerar potencial piezoelétrico de até milivolts para fornecer estimulação elétrica in situ para células vivas.

O espaço 3D exclusivo dentro dos bio-NGs forneceu um ambiente semelhante ao ECM para promover o crescimento celular. Os bio-NGs promoveram efetivamente a viabilidade e o desenvolvimento celular para manter sua expressão funcional específica. Os pesquisadores esperam que os novos e avançados bio-NGs imitem a complexidade da matriz extracelular e forneçam um sistema biológico in vivo fisiologicamente relevante. O dispositivo efetivamente promoveu a viabilidade e o desenvolvimento celular para manter sua expressão funcional específica. Li et al. Esperamos que a nova e avançada versão de bio-nanogeradores forneça um sistema biológico in vivo fisiologicamente relevante para substituir sistemas 2D e modelos animais imprecisos.

Orientação para células

Nesse trabalho, Li et al. delineou uma estratégia prática para a estimulação elétrica sem fio de células e tecidos para reparar e manter a função celular. A bioeletricidade é uma sugestão biofísica que fornece orientação para o crescimento e diferenciação celular durante o desenvolvimento embrionário e a regeneração do tecido. A bioeletricidade endógena existe no citoplasma e no espaço extracelular, fornecendo aos cientistas um recurso para estimulação elétrica de células excitáveis ​​e regulando a atividade celular para aplicações biomédicas. A maioria dos métodos de tratamento requer uma entrada de energia externa e conexão de fio para aplicar pulsos elétricos externos por meio de microdispositivos implantados. Desenvolvimentos recentes em nanotecnologia permitiram tratamentos sem eletrodos e sem bateria, que incluem o uso de nanogeradores para estimulação cerebral, regeneração capilar e cicatrização de feridas. Contudo, a maioria deles requer uma solução bem aceita para estimular eletricamente as células funcionais. Li et al. foram, portanto, inspirados pela função biológica e microestrutura das fibras de colágeno na matriz extracelular para formar bio-NGs compostos de fibras eletrofiadas piezoelétricas altamente discretas para fornecer às células um microambiente fisicamente relevante. A interação bio-NG-célula se aplica a ambientes in vivo para reduzir a inflamação, induzir a proliferação de hepatócitos, e acelerar a angiogênese, bem como promover a reparação do fígado.

Formando os bio-NGs eletromecânicos bioinspirados .

Durante os experimentos, a equipe de pesquisa introduziu nanopartículas magnéticas de óxido de ferro em poliacrilonitrila para preparar fibras altamente discretas para uso como um dispositivo de eletrofiação magnética. Durante a eletrofiação, a configuração permitiu a formação de andaimes com poros bem interconectados e fibras discretas para migração livre de células. Para preparar um microambiente mais próximo do in vivo, a equipe também transmitiu bioeletricidade como uma dica biofísica. Para conseguir isso, os cientistas desenvolveram uma estrutura de alvo para promover a interação celular e a adesão com as fibras. O acoplamento eletromecânico de bio-NGs montados pelo scaffold promoveu a transmissão e comunicação de sinais entre as células para mimetizar os efeitos bioelétricos das fibrilas ou fibras de colágeno na matriz extracelular. A equipe simulou e estudou o potencial piezoelétrico gerado a partir da força celular em bio-NGs usando a análise de elementos finitos. Para conseguir isso, eles aplicaram uma força de carga ao contato célula-fibra e primeiro mediram a piezoeletricidade de uma única fibra dentro de bio-NGs usando microscopia de força piezoelétrica. Os sinais experimentais de tensão validaram a piezoeletricidade teórica dos bio-NGs.

Caracterizando os bio-NGs e regulando a atividade celular

Para investigar as informações das fibras em bio-NGs, a equipe usou espectros de infravermelho com transformada de Fourier (FTIR) e difração de raios-X (XRD). Eles então estudaram as propriedades termodinâmicas das fibras piezoelétricas em bio-NGs usando termogramas de calorimetria de varredura diferencial (DSC) e conduziram estudos de voltamograma cíclico para testar o armazenamento de carga e as propriedades de transmissão das fibras piezoelétricas em bio-NGs. A equipe então testou a resiliência compressiva e as propriedades mecânicas das fibras, primeiro formando formas cilíndricas delas e comprimindo os andaimes para entender a excelente resiliência das construções. As propriedades mecânicas e a resiliência das fibras garantiram que os bio-NGs pudessem efetivamente manter um tamanho de poro grande o suficiente e um microambiente de crescimento 3D estável para o movimento e crescimento celular. A equipe também investigou a interação das células NG no espaço 3D com duas linhas celulares diferentes, incluindo

célula ganglionar retinal 5 (RGC5) e hepatócitos primários. As células continham canais de cálcio dependentes de voltagem em suas membranas e outras eram células móveis com altas funções metabólicas. Usando nanogeradores bidimensionais (NGs) e fibras 3D não piezoelétricas, a equipe estudou os efeitos do espaço 3D e da estimulação elétrica nas células. Os dados mostraram como os bio-NGs podem fornecer um microambiente de cultura de células biofriendly para futuros experimentos.

Promoção de reparo hepático in vivo com bio-NGs

Os cientistas então implantaram os bio-NGs em uma área de lesão hepática relativa à regeneração de hepatócitos para refletir sua praticidade. Para conseguir isso, eles usaram ratos Sprague-Dawley para induzir lesão hepática. Após quatro semanas de implantação dos bio-NGs, a equipe removeu os implantes e estudou a inflamação usando coloração histológica. Eles notaram uma inflamação leve na primeira semana, que melhorou na segunda semana e reduziu aos níveis normais na quarta semana. Todos os outros órgãos não mostraram deformação ou invasão de células linfáticas anormais para indicar boas condições de saúde sem efeitos colaterais sistemáticos. O processo regenerativo observado destacou um novo sistema de circulação sanguínea que se formou dentro do tecido hepático regenerado para sugerir a interação dos bio-NGs com as células para reduzir a inflamação e promover a reparação do tecido.

Estabilidade de longo prazo e biocompatibilidade de bio-NGs in vivo

A interação NG-célula promoveu de forma eficiente a viabilidade celular e manteve sua expressão funcional in vitro e in vivo para fornecer uma estratégia de tratamento para ensaios clínicos. Para regeneração de tecidos, é mais eficaz transplantar diretamente células funcionais para o local danificado in vivo. Para estudos adicionais, a equipe implantou os bio-NGs na área do músculo gastrocnêmio ao redor do nervo ciático de ratos para detectar a estabilidade dos bio-NGs in vivo. Li et al. em seguida, removeu os implantes após oito semanas e analisou a inflamação para mostrar boa biocompatibilidade de bio-NGs por períodos prolongados de tempo em ambientes biológicos sem quaisquer efeitos colaterais sistêmicos. As construções são promissoras como implantes para reparo regenerativo in vivo.

Panorama

Desta maneira, Tong Li e seus colegas desenvolveram bio-nanogeradores de acoplamento eletromecânico tipo matriz extracelular (bio-NGs) para regular a atividade celular e manter sua expressão funcional específica. The product created a local voltage potential to stimulate living cells as long as they remained motile. The unique environment facilitated cell culture in bio-NGs to trigger the opening of ion channels present in the cellular plasma membrane to achieve electrical stimulation at the single-cell level. The process offers great potential for bioelectronic medicine and cell-targeted local electrical impulses. The new method can replace inaccurate 2D systems and time-consuming animal models to provide a biomimetic, physiological microenvironment for accelerated tissue regeneration and bioinspired electronic medicine.

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