Une équipe de recherche multi-institutionnelle a développé une méthode pour intégrer des réseaux de fils nanométriques biocompatibles dans des tissus modifiés. Ces réseaux - qui marquent la première fois que l'électronique et les tissus sont véritablement fusionnés en 3D - permettent une détection directe des tissus et potentiellement une stimulation, une aubaine potentielle pour le développement de tissus modifiés qui intègrent des capacités de surveillance et de stimulation, et des dispositifs de dépistage de nouveaux médicaments.

L'équipe de chercheurs, dirigée par Daniel Kohane, MARYLAND, Doctorat, au département d'anesthésie du Boston Children's Hospital; Charles M. Lieber, Doctorat, à l'Université Harvard; et Robert Langer, ScD, au Massachusetts Institute of Technology—ont rapporté leurs travaux en ligne le 26 août dans Matériaux naturels .

L'un des principaux défis du développement de tissus issus de la bio-ingénierie est de créer des systèmes pour détecter ce qui se passe (par exemple, chimiquement, électriquement) dans un tissu après sa croissance et/ou son implantation. De la même manière, les chercheurs se sont efforcés de développer des méthodes pour stimuler directement les tissus modifiés et mesurer les réactions cellulaires.

"Dans le corps, le système nerveux autonome garde une trace du pH, chimie, l'oxygène et d'autres facteurs, et déclenche des réponses au besoin, " a expliqué Kohane. " Nous devons être capables d'imiter le type de boucles de rétroaction intrinsèques que le corps a évolué afin de maintenir un contrôle fin au niveau cellulaire et tissulaire. "

Avec le système nerveux autonome comme inspiration, un stagiaire postdoctoral au laboratoire Kohane, Boji Tian, Doctorat, et ses collaborateurs ont construit des réseaux maillés de fils de silicium nanométriques d'environ 80 nm de diamètre en forme de plans plats ou dans une conformation réticulaire de type « barbe à papa ». Les réseaux étaient suffisamment poreux pour permettre à l'équipe de les ensemencer avec des cellules et d'encourager ces cellules à se développer dans des cultures 3D.

"Les efforts précédents pour créer des réseaux de détection bio-ingénierie se sont concentrés sur les dispositions 2D, où les cellules de culture se développent sur des composants électroniques, ou sur des schémas conformes où les sondes sont placées sur des surfaces tissulaires, " a déclaré Tian. " Il est souhaitable d'avoir une image précise du comportement cellulaire dans la structure 3D d'un tissu, et il est également important d'avoir des sondes à l'échelle nanométrique pour éviter de perturber l'architecture cellulaire ou tissulaire. »

« Les méthodes actuelles dont nous disposons pour surveiller ou interagir avec les systèmes vivants sont limitées, " a déclaré Lieber. "Nous pouvons utiliser des électrodes pour mesurer l'activité dans les cellules ou les tissus, mais cela les endommage. Avec cette technologie, pour la première fois, on peut travailler à la même échelle que l'unité du système biologique sans l'interrompre. Finalement, il s'agit de fusionner le tissu avec l'électronique d'une manière telle qu'il devient difficile de déterminer où se termine le tissu et où commence l'électronique."

"Jusqu'à présent, c'est le plus proche que nous sommes venus à incorporer dans les tissus modifiés des composants électroniques proches de la taille des structures de la matrice extracellulaire qui entoure les cellules dans les tissus, " ajouta Kohane.

En utilisant des cellules cardiaques et nerveuses comme matériau source et une sélection de revêtements biocompatibles, l'équipe a réussi à concevoir des tissus contenant des réseaux nanométriques intégrés sans affecter la viabilité ou l'activité des cellules. Via les réseaux, les chercheurs ont pu détecter les signaux électriques générés par les cellules profondément dans les tissus modifiés, ainsi que de mesurer les changements de ces signaux en réponse à des médicaments cardio- ou neurostimulants.

Dernièrement, l'équipe a démontré qu'elle pouvait construire des vaisseaux sanguins issus de la bio-ingénierie avec des réseaux intégrés et utiliser ces réseaux pour mesurer les changements de pH à l'intérieur et à l'extérieur des vaisseaux, comme cela serait observé en réponse à l'inflammation, ischémie et autres environnements biochimiques ou cellulaires.

"Cette technologie pourrait bouleverser certains principes de base de la bio-ingénierie, " dit Kohane. " La plupart du temps, par exemple, votre objectif est de créer des échafaudages sur lesquels faire pousser des tissus, puis que ces échafaudages se dégradent et se dissolvent. Ici, l'échafaudage reste, et joue réellement un rôle actif."

Les membres de l'équipe voient de multiples applications futures pour cette technologie, à partir de tissus « cyborg » hybrides issus de la bio-ingénierie qui détectent les changements dans le corps et déclenchent des réponses (par exemple, libération de médicaments, stimulation électrique) à partir d'autres dispositifs thérapeutiques ou diagnostiques implantés, au développement de systèmes "laboratoires sur puce" qui utiliseraient des tissus modifiés pour le criblage de bibliothèques de médicaments.