Команда инженеров во главе с Массачусетским университетом в Амхерсте, в которую входят коллеги из Массачусетского технологического института (MIT), недавно объявила в Nature Communications, что они успешно создали тканеподобную биоэлектронную сетчатую систему, интегрированную с массивом графеновых сенсоров толщиной в атом, который может одновременно измерять как электрический сигнал, так и физическое движение клеток в выращенной в лаборатории сердечной ткани человека.

В ходе исследования эта тканеподобная сетка может расти вместе с сердечными клетками , что позволяет исследователям наблюдать, как механические и электрические функции сердца изменяются в процессе развития. Новое устройство станет настоящим благом для тех, кто изучает сердечные заболевания, а также для тех, кто изучает потенциально токсичные побочные эффекты многих распространенных медикаментозных методов лечения.

Сердечные заболевания являются основной причиной заболеваемости и смертности людей во всем мире. Сердце также очень чувствительно к терапевтическим препаратам, и фармацевтическая промышленность тратит миллионы долларов на испытания, чтобы убедиться в безопасности своей продукции. Однако способы эффективного мониторинга живой сердечной ткани крайне ограничены.

Частично это связано с тем, что имплантировать датчики в живое сердце очень рискованно, а также с тем, что сердце представляет собой сложную мышцу, имеющую более чем одну функцию, требующую мониторинга.

«Сердечная ткань очень особенная», — говорит Цзюнь Яо, доцент кафедры электротехники и вычислительной техники Инженерного колледжа Массачусетского университета в Амхерсте и старший автор статьи. «Он обладает механической активностью — сокращениями и расслаблениями, которые перекачивают кровь через наше тело — в сочетании с электрическим сигналом, который контролирует эту активность».

Но сегодняшние датчики обычно могут измерять только одну характеристику за раз, а устройство с двумя датчиками, которое могло бы измерять как заряд, так и движение, было бы настолько громоздким, что мешало бы функционированию сердечной ткани. До сих пор не существовало ни одного датчика, способного измерить двойственные свойства сердца, не влияя на его функционирование.

Новое устройство состоит из двух важнейших компонентов, объясняет ведущий автор Хунъянь Гао, работающий над докторской диссертацией. по электротехнике в Массачусетском университете в Амхерсте. Первый — это трехмерная сердечная микроткань (СМТ), выращенная в лаборатории из стволовых клеток человека под руководством соавтора Юбинга Сана, доцента кафедры машиностроения и промышленного машиностроения Массачусетского университета в Амхерсте.

ШМТ стала предпочтительной моделью для испытаний in vitro, поскольку она является наиболее близким аналогом живого человеческого сердца в натуральную величину. Однако, поскольку ШМТ выращивается в пробирке, он должен созреть — процесс, который требует времени и может быть легко нарушен неуклюжим датчиком.

Второй критический компонент — графен — чистое углеродное вещество толщиной всего в один атом. У графена есть несколько удивительных особенностей, которые делают его идеальным для сердечного датчика. Графен электропроводен и поэтому может чувствовать электрические заряды, проходящие через сердечную ткань. Он также пьезорезистивен, что означает, что при растяжении, скажем, при биении сердца, его электрическое сопротивление увеличивается.

А поскольку графен невероятно тонкий, он может регистрировать даже малейшее трепетание мышечного сокращения или расслабления, не нарушая работу сердца на протяжении всего процесса созревания. Соавтор Цзин Конг, профессор электротехники Массачусетского технологического института, и ее группа предоставили этот важный графеновый материал.

Затем Гао, Яо и их коллеги встроили серию графеновых датчиков в разработанный ими мягкий, растягивающийся каркас из пористой сетки, который имеет структурные и механические свойства, близкие к человеческим тканям, и который можно неинвазивно применять к сердечной ткани.

«Никто никогда раньше этого не делал», — говорит Гао. «Графен может выжить в биологической среде, не разлагаясь в течение очень долгого времени и не теряя своей проводимости, поэтому мы можем контролировать CMT на протяжении всего процесса его созревания».

«Это крайне важно по ряду причин», — добавляет Яо. «Наш датчик может давать обратную связь в режиме реального времени ученым и исследователям лекарств, и он может делать это экономически эффективным способом. Мы гордимся тем, что используем знания электротехники для создания инструментов, которые могут быть полезны для широкого круга людей. исследователи».

В будущем, говорит Гао, он надеется адаптировать свой датчик к более масштабным масштабам, даже к мониторингу in vivo, который предоставит наилучшие возможные данные для решения проблем с сердечно-сосудистыми заболеваниями.