Электроника в стиле киригами для долгосрочной электрофизиологической записи нейрональных органоидов и ассемблоидов человека

В сентябре 2023 года группа ученых опубликовала препринт статьи на тему разработки особого вида электроники, который используется для долгосрочного изучения мозгоподобных структур, созданных в лаборатории и называемых органоидами и ассемблоидами. Эти структуры помогают ученым изучать процессы развития нервной системы.

Проблема заключается в том, что существующие технологии не позволяют проводить долговременные измерения активности органоидов в условиях, приближенных к естественным. В данной работе авторы использовали подход, вдохновленный японским искусством киригами, чтобы создать гибкую электронику, которая адаптируется к форме органоидов и может использоваться для долгосрочных измерений.

Киригами-электроника (KiriE) интегрируется с органоидами, позволяя ученым записывать и изучать их активность на протяжении долгого времени. Это важно для создания моделей заболеваний и понимания, как происходит формирование нервной системы. Такие исследования могут привести к новым методам лечения нейрологических заболеваний и улучшению нашего понимания организации мозга.

Органоиды и ассемблоиды - это своего рода "мозг в пробирке". Они создаются в лаборатории и представляют из себя маленькие 3D-модели тканей, очень похожие на части мозга.

Органоиды - это маленькие "клочки" мозга, которые ученые выращивают из человеческих клеток. Они могут имитировать различные части мозга и помогают нам понять, как они развиваются и как могут возникнуть проблемы, связанные с мозгом.

Ассемблоиды - это уже более сложные структуры, состоящие из нескольких органоидов, объединенных вместе. Например, ассемблоид мог бы сочетать в себе части коры мозга и другие мозговые области. Это помогает создавать модели для изучения взаимодействий между разными частями мозга.

Создание этих мозгоподобных структур в лаборатории позволяет ученым исследовать, как развивается и работает мозг, а также какие проблемы могут возникнуть в результате различных условий. Это важно для более глубокого понимания мозга и возможного создания новых методов лечения нейрологических заболеваний.

Получение органоидов представляет собой процесс создания маленьких 3D-моделей тканей, которые по своей структуре и функции напоминают части органов.

Общий способ получения органоидов состоит из нескольких этапов:

Выбор исходных клеток:

Начинают с выбора определенного типа клеток. Эти клетки обычно извлекаются из тканей человека, например, из кожи или крови.

Преобразование клеток в стволовые:

Исходные клетки преобразуют в стволовые клетки. Стволовые клетки обладают удивительной способностью превращаться в разные типы клеток в организме.

Индукция дифференциации:

Стволовые клетки направляют так, чтобы они начали развиваться в нужный тип клеток, которые составляют определенную часть органа.

Самоорганизация в 3D:

Эти клетки, находясь в специальных условиях, начинают организовываться в 3D-структуры, напоминающие маленький орган.

Культивирование и рост:

Органоиды культивируются в лабораторных условиях. Ученые обеспечивают им все необходимые питательные вещества и условия для нормального роста и развития.

Использование в исследованиях:

Полученные органоиды могут использоваться для изучения различных аспектов развития органов, моделирования болезней, тестирования лекарств и понимания функционирования человеческого организма.

Преобразование исходных клеток в стволовые клетки (репрограммация) - это процесс, который позволяет клеткам обрести свойства стволовых клеток, что делает их более гибкими и способными превращаться в различные типы клеток. Ниже описаны основные этапы процесса репрограммации.

Выбор клеток:

Клетки обычно извлекаются из тканей взрослого организма, например, из кожи или крови. Эти клетки уже являются каким-то конкретным типом, но их можно "перепрограммировать".

Введение генетических факторов:

Исследователи вводят в эти клетки специальные гены, известные как "Yamanaka факторы". Эти гены изменяют характер клетки и переводят ее в состояние стволовых клеток.

Непосредственно процесс репрограммации:

Гены Yamanaka факторов начинают воздействовать на генетический материал клетки, изменяя его активность. Это приводит к перезаписыванию характеристик клетки, делая ее похожей на стволовые клетки.

Культивирование стволовых клеток:

Полученные стволовые клетки культивируют в лаборатории в специальных условиях. Здесь они могут делиться и дифференцироваться в различные типы клеток, такие как нервные, мышечные или кровеносные.

Гены Yamanaka факторов были открыты японскими учеными Шиньи Яманаки и Кадзуо Такахаши в 2006 году. Эти гены играют ключевую роль в процессе репрограммации клеток, превращая их из взрослых, уже специализированных клеток в стволовые клетки. Они получили свое название в честь Шиньи Яманаки.

Главные гены Yamanaka факторов включают:

Oct4 (октамер-4): Этот ген играет важную роль в поддержании пластичности и стволовых свойств клеток. Он активирует гены, ответственные за преобразование клеток в стволовые.

Sox2 (сексдетермирующий регулятор Sox2): Sox2 взаимодействует с Oct4 и усиливает его действие. Этот ген также участвует в регуляции генов, контролирующих различные пути дифференциации.

Klf4 (Kruppel-like factor 4): Klf4 играет роль в поддержании пластичности клеток и их готовности к преобразованию в разные типы клеток.

c-Myc (онкоген c-Myc): Этот ген ускоряет процесс репрограммации, но его избыточная активность может быть связана с определенными рисками, включая возможность развития опухолей.

Вместе эти факторы образуют комбинацию, известную как "Yamanaka факторы". Их введение взрослых, уже специализированных клеток может изменить программу генов этих клеток, делая их похожими на стволовые клетки с их уникальной способностью превращаться в разные типы клеток.

Этот метод репрограммации клеток стал важным инструментом в исследованиях и имеет потенциальные применения в медицине, такие как создание тканей для трансплантаций или моделирование болезней для поиска новых лекарственных средств.

Методы индукции дифференциации - это способы направленного развития стволовых клеток в определенные типы клеток или тканей. Эти методы позволяют исследователям и медикам создавать нужные клетки для различных целей, таких как лечение болезней или исследование биологических процессов. Вот несколько распространенных методов:

Химическая дифференциация: Использование химических веществ, таких как малые молекулы или биологически активные соединения, чтобы изменить окружающую среду стволовых клеток. Эти вещества могут активировать или подавлять определенные гены, что приводит к дифференциации в конкретные клеточные типы.

Факторы роста и цитокины: Применение белков, известных как факторы роста и цитокины, которые могут воздействовать на стволовые клетки, заставляя их развиваться в определенные клеточные типы. Эти вещества могут быть добавлены в культурную среду стволовых клеток.

  Генетическая дифференциация:

Введение генетических материалов, таких как ДНК или РНК, в стволовые клетки с использованием методов генной трансформации. Эти материалы могут содержать инструкции для активации или подавления определенных генов, что направляет дифференциацию.

  Технология CRISPR-Cas9:

Использование революционной технологии генной редакции для точного изменения генетической информации в стволовых клетках. Это позволяет исследователям корректировать или модифицировать гены, чтобы индуцировать дифференциацию в желаемые клеточные типы.

  Трехмерная культура клеток:

Развитие методов культивирования клеток в трехмерном пространстве, что более точно отражает естественные условия в организме. Это способствует более эффективной и естественной дифференциации.

Создание материала, способного гнуться и складываться, сохраняя свои электронные свойства, требует интеграции гибких электронных компонентов в особые материалы. Вот несколько подходов и технологий, которые могут быть использованы для этой цели:

Органические полупроводники: Использование органических материалов в качестве полупроводников. Органические полупроводники обладают гибкостью и могут сохранять электронные свойства при изменении формы. Полимерные материалы, такие как поли(3,4-этилендиокситиофен):полистирол (PEDOT:PSS), часто применяются в гибких электронных устройствах.

  Наноматериалы:

Внедрение наноматериалов, таких как углеродные нанотрубки или графен, в гибкие матрицы. Эти наноматериалы обладают выдающейся электрической проводимостью и могут быть интегрированы в гибкие структуры, сохраняя свои электронные свойства.

  Эластомеры:

Использование эластомеров, таких как силиконовые резины или полиуретаны, как основы для электронных компонентов. Эти материалы обеспечивают высокую гибкость и могут изменять свою форму, не влияя на электронные свойства.

  Интеграция с текстилем:

Внедрение гибких электронных компонентов в текстильные материалы. Это позволяет создавать электронику, которая может гнуться и складываться, как обычная ткань, сохраняя при этом функциональность.

Гибкие субстраты:

Использование гибких материалов в качестве субстратов для электронных устройств. Например, тонкие пластиковые пленки или гибкие стекла могут служить гибкими основами для электронных компонентов.

Технологии печати: Применение методов печати гибких электронных компонентов на подходящие гибкие материалы. Это включает техники, такие как офсетная печать или струйная печать.

Инженеры и ученые активно исследуют и разрабатывают новые материалы и технологии для создания гибких электронных устройств, способных адаптироваться к различным формам и сохранять свою функциональность.

Таким образом, технология KiriE предоставляет инновационный способ создания электронных устройств, которые могут успешно адаптироваться к трехмерным формам, что особенно важно в контексте биологических исследований и медицинских приложений.

Подписаться на рассылку

Подборка самых важных статей