ingénieurs biomédicaux de Johns Hopkins, travailler avec des collègues en Corée, ont produit une puce de laboratoire avec des rainures et des crêtes nanoscopiques capables de développer un tissu cardiaque qui ressemble davantage au muscle cardiaque naturel.

Étonnamment, les cellules cardiaques cultivées de cette manière utilisaient un "nanosense" pour collecter des instructions de croissance et de fonctionnement uniquement à partir des motifs physiques sur la puce nanotexturée et ne nécessitaient aucun indice chimique spécial pour orienter le développement des tissus de manière distincte. Les scientifiques affirment que cet outil pourrait être utilisé pour concevoir de nouvelles thérapies ou tests de diagnostic pour les maladies cardiaques.

L'appareil et les expériences qui l'utilisent ont été décrits dans la première édition en ligne de cette semaine de Actes de l'Académie nationale des sciences . L'oeuvre, une collaboration avec l'Université nationale de Séoul, représente une avancée importante pour les chercheurs qui cultivent des cellules en laboratoire pour en savoir plus sur les troubles cardiaques et les remèdes possibles.

« Cellules du muscle cardiaque cultivées sur la surface lisse d'une boîte de Pétri, en posséderait, mais jamais tout, des mêmes caractéristiques physiologiques d'un cœur réel dans un organisme vivant, " a déclaré André Levchenko, un professeur agrégé Johns Hopkins de génie biomédical à la Whiting School of Engineering. "C'est parce que les cellules du muscle cardiaque - les cardiomyocytes - s'inspirent de la matrice extracellulaire hautement structurée, ou ECM, qui est un échafaudage fait de fibres qui soutient toute la croissance des tissus chez les mammifères. Ces indices de la MEC influencent la structure et la fonction des tissus, mais lorsque vous faites pousser des cellules sur une surface lisse en laboratoire, les signaux physiques peuvent manquer. Pour remédier à ce, nous avons développé une puce dont la surface et la douceur imitent l'ECM. Le résultat a été un tissu cardiaque cultivé en laboratoire qui ressemble plus à la réalité."

Levchenko a ajouté que lorsque lui et ses collègues ont examiné le tissu cardiaque naturel prélevé sur un animal vivant, « nous avons immédiatement remarqué que la couche cellulaire la plus proche de la matrice extracellulaire se développait de manière très allongée et linéaire. Les cellules s'orientent dans le sens des fibres de la matrice, ce qui suggère que les fibres ECM donnent des instructions structurelles ou fonctionnelles au myocarde, un terme général pour le muscle cardiaque." Ces instructions, Levchenko a dit, sont livrés à l'échelle nanométrique, activité à l'échelle d'un milliardième de mètre et d'un millième de la largeur d'un cheveu humain.

Levchenko et ses collègues coréens, travailler avec Deok-Ho Kim, doctorant en génie biomédical du laboratoire de Levchenko et auteur principal de l'article du PNAS, développé une surface d'hydrogel bidimensionnelle simulant la rigidité, la taille et la forme des fibres trouvées dans un réseau ECM naturel. Cette surface respectueuse de l'environnement en polyéthylène glycol non toxique présente une série de longues crêtes ressemblant au motif plié du carton ondulé. L'hydrogel strié repose sur une lame de verre de la taille d'une pièce d'un dollar américain. L'équipe a fabriqué une variété de puces avec des largeurs de crête allant de 150 à 800 nanomètres, des largeurs de rainures allant de 50 à 800 nanomètres, et des hauteurs de crête variant de 200 à 500 nanomètres. Cela a permis aux chercheurs de contrôler la texture de la surface sur plus de cinq ordres de grandeur de longueur.

« Nous avons été ravis de constater qu'en seulement deux jours, les cellules sont devenues plus longues et se sont développées le long des crêtes à la surface de la lame, " dit Kim. De plus, les chercheurs ont trouvé un meilleur couplage entre les cellules adjacentes, un arrangement qui ressemblait plus à l'architecture trouvée dans les couches naturelles du tissu musculaire cardiaque.

Cellules cultivées sur lisse, hydrogels sans motif, cependant, est resté plus petit et moins organisé avec un couplage cellule à cellule plus faible entre les couches.

"C'était très excitant d'observer les cellules cardiaques modifiées se comporter sur une minuscule puce en deux dimensions comme elles le feraient dans le cœur natif en trois dimensions, ", a déclaré Kim.

En collaboration avec Leslie Tung, professeur de génie biomédical à la Johns Hopkins School of Medicine, les chercheurs ont découvert que, après quelques jours de croissance, les cellules sur la surface à nanomotifs ont commencé à conduire des ondes électriques et à se contracter fortement dans une direction spécifique, comme le ferait un muscle cardiaque intact.

"Peut-être le plus surprenant, ces fonctions tissulaires et la structure du tissu cardiaque modifié pourraient être contrôlées en modifiant simplement les propriétés à l'échelle nanométrique de l'échafaudage. Cela nous montre que les cellules cardiaques ont un « nanossens, '", a déclaré Levchenko.

"Cette sensibilité à l'échelle nanométrique était due à la capacité des cellules à se déformer en adhérant aux crevasses de la surface nanotexturée et probablement pas à cause de la présence d'un indice moléculaire, " Levchenko a déclaré. "Ces résultats montrent que l'ECM sert de signal puissant pour la croissance cellulaire, ainsi qu'une structure porteuse, et qu'il peut contrôler la fonction des cellules cardiaques à l'échelle nanométrique séparément dans différentes parties de cet organe vital. En imitant cette propriété ECM, nous pourrions commencer à concevoir des tissus cardiaques mieux conçus. »

Regarder vers l'avant, Levchenko prévoit que l'ingénierie des surfaces avec des caractéristiques nanométriques similaires en trois dimensions, au lieu de seulement deux, pourrait fournir un moyen encore plus puissant de contrôler la structure et la fonction du tissu cardiaque en culture.