Pensilvānijas štata universitātes (Penn State) pētnieki izstrādājuši veidu, kā ar miniatūrām saules šūnām kontrolēt dzīvo šūnu izlīdzināšanos. Šī pieeja nākotnē varētu piedāvāt bezvadu alternatīvu apjomīgām elektriskās stimulācijas sistēmām, ko izmanto audu inženierijā.

Metode balstās uz sīkām fotovoltu šūnām, kas izvietotas uz silīcija mikroshēmām. Tās pārvērš gaismu lokālos elektriskajos laukos, kuri ietekmē šūnu orientāciju. Mainot mikroskopisko saules šūnu izmēru un izkārtojumu, pētnieki var virzīt šūnu grupas noteiktos rakstos, nepievienojot tām elektrodus ar vadiem.

Elektriskie lauki palīdz organizēt šūnas

Šī tehnoloģija varētu palīdzēt precīzāk organizēt šūnas, veidojot bioloģiskos audus ar 3D bioprintēšanas palīdzību. Bioprintēšanā dzīvas šūnas un bioloģiskus materiālus, ko dēvē par bio tinti, slāni pa slānim izmanto audu izveidei. Šūnu kārtībai šajā procesā ir būtiska nozīme, jo to izvietojums var ietekmēt audu attīstību un darbību.

Līdz šim pētnieki šūnu orientācijas ietekmēšanai galvenokārt izmantojuši elektrisko stimulāciju. Tomēr šādām sistēmām bieži nepieciešamas lielas iekārtas, vadu elektrodi un invazīvi savienojumi, kas apgrūtina precīzu kontroli.

Lai šo problēmu risinātu, Penn State komanda izveidoja rakstainus silīcija fotovoltu mikrošūnu masīvus. Šīs mazās ierīces uztver gaismu un pārvērš to elektriskos signālos, radot lokālus laukus, kas ietekmē šūnu uzvedību.

Pētījumā, kas publicēts žurnālā Advanced Functional Materials, pētnieki izmēģināja divas pieejas. Viņi mainīja atsevišķu fotovoltu šūnu diametru no 80 līdz 800 mikrometriem, kā arī pārbaudīja dažādus izkārtojumus, saglabājot nemainīgu šūnu izmēru.

Fibroblasti sekoja saules šūnu masīvu rakstam

Uz silīcija mikroshēmām komanda novietoja komerciāli iegūtus cilvēka plaušu un ādas fibroblastus. Fibroblasti ir saistaudu šūnas, kas palīdz veidot un uzturēt audus aptverošo strukturālo karkasu.

Paraugus septiņas dienas pakļāva dažādas intensitātes gaismai. Pēc tam pētnieki salīdzināja šūnu izvietojumu ar šūnām, kas auga uz mikroshēmām bez apgaismojuma.

Neapgaismotajos paraugos fibroblasti bija izvietoti lielākoties nejauši. Savukārt gaismai pakļautās šūnas sakārtojās atbilstoši fotovoltu masīvu veidotajiem rakstiem. Pētnieki konstatēja arī, ka apgaismojuma intensitātes maiņa ietekmēja saules šūnu elektrisko reakciju, radot vēl vienu iespēju regulēt šūnu orientāciju.

Pielāgojot fotovoltu mikrošūnu izmēru, atstatumu un izkārtojumu, komanda varēja mainīt elektrisko lauku, kas veidojās uz mikroshēmas. Tomēr šī metode vēl nenodrošina pilnīgu kontroli pār šūnu organizāciju, jo to kustību un orientāciju joprojām ietekmē mijiedarbība ar kaimiņu šūnām.

Rezultāti tomēr demonstrē, ka ar gaismu darbināma elektriskā stimulācija var vadīt dzīvu šūnu grupas bez vadu elektrodiem. Pētnieki tagad plāno metodi pārbaudīt jutīgākos šūnu tipos, tostarp sirds un muskuļu šūnās, lai noskaidrotu, vai elektriskā stimulācija var ietekmēt arī to funkcijas.

Nākamais solis — trīsdimensiju vide

Komanda vēlas pāriet no plakanām virsmām uz trīsdimensiju vidi. Tajā fotovoltu masīvi varētu radīt elektriskos laukus dažādos virzienos, nodrošinot lielāku kontroli pār to, kā šūnas sakārtojas attīstošos audos.

Atklājums nākotnē varētu veicināt precīzāku audu inženieriju un reģeneratīvo medicīnu. Tomēr pirms šo pieeju varēs izmantot funkcionālu 3D drukātu audu izveidē, būs nepieciešami turpmāki pētījumi.