【要約】合成組織のためのマクロポーラス・ナノワイヤ・ナノエレクトロニクス・足場


公開日:2012年8月26日

Bozhi Tian, Jia Liu, ...Charles M. Lieber 
Nature Materials 11巻 986-994ページ (2012)

元記事はこちら。

https://www.nature.com/articles/nmat3404


概 要

3次元合成生体材料の開発は、細胞生物物理学から再生医療に至るまで、構造および生物活性の足場として中心的な役割を担っている。
このような足場は、エレクトロニクスとバイオマテリアルの両分野で大きなインパクトを与える可能性があるが、現時点では、その3Dおよびマクロポーラス内部における物理化学的・生物学的微小環境を電気的にプローブすることはできない
ここでは、マクロポーラスで柔軟かつ自立したナノワイヤナノエレクトロニクス足場(nanoES)と、その合成または天然バイオマテリアルとのハイブリッドを用いて、この課題に取り組んでいます

3次元マクロポーラスナノESは、天然組織の足場構造を模倣し、歪みを組み込んだコプラナー網状ネットワークの自己組織化と2次元メッシュマトリックスの操作によって形成された。
NanoESは強固な電子特性を示し、神経細胞、心筋細胞、平滑筋細胞の3次元培養のための生体適合性細胞外足場として、単独または他の生体材料と組み合わせて使用されている。さらに、3D nanoES/心筋細胞コンストラクト内の局所電気活動、3D-nanoESベースの神経および心臓組織モデルの薬剤に対する反応、管状血管平滑筋コンストラクトの内部と外部の明確なpH変化のリアルタイムモニタリングによって、nanoESの統合的な感覚能力を示す。

関連記事

この記事を引用しているオープンアクセス記事

●次世代の心臓再生治療:心臓組織工学の進展と将来性
Miguel F. Tenreiro
Ana F.Louro
... マルガリーダ・セッラ
npj再生医療オープンアクセス01 6月2021

●神経回路ダイナミクス研究のための光刺激・ドラッグデリバリー可能な3次元高密度微小電極アレイ
シン・ヒョグン
Jeong Sohyeon
... Il-Joo Cho
ネイチャーコミュニケーションズ オープンアクセス 2021年1月21日


参考文献

Na, K. et al. ゼオライト構造の階層的なナノポーラス構造への誘導。Science 333, 328-332 (2011)


Schaedler, T. A. et al. 超軽量金属微小格子。Science 334, 962-965 (2011).


組織工学のための合成高分子スキャフォールド。Chem.Soc. Rev. 38, 1139-1151 (2009).


Wylie, R. G. et al. 三次元ハイドロゲルにおける複数の成長因子の空間的制御による同時パターニング。Nature Mater.10, 799-806 (2011).


Kloxin, A. M., Kasko, A. M., Salinas, C. N. & Anseth, K. S. 光分解性ハイドロゲルによる物理・化学特性の動的な調整.Science 324, 59-63 (2009).


Dvir, T., Timko, B. P., Kohane, D. S. & Langer, R. Nanotechnological strategies for engineering complex tissues(複合組織工学のためのナノテクノロジー戦略).Nature Nanotech.6, 13-22 (2011).


Kraehenbuehl, T. P., Langer, R. & Ferreira, L. ヒト多能性幹細胞研究のための三次元バイオマテリアル.Nature Methods 8, 731-736 (2011).


Hutmacher, D. W. Biomaterials offer cancer research the third dimension.Nature Mater.9, 90-93 (2010).

Hutmacher, D. W. Biomaterials offer cancer research the third dimension(生体材料が提供する3次元のがん研究)。Nature Mater.9, 90-93 (2010).


Huh, D. et al. 臓器レベルの肺機能をチップ上で再構築する。Science 328, 1662-1668 (2010).


Baker, M. 組織モデル。チップ上の生体システム。Nature 471, 661-665 (2011).


Schwille, P. ボトムアップの合成生物学。ティンカラーの世界におけるエンジニアリング。Science 333, 1252-1254 (2011).


Ruder, W. C., Lu, T. & Collins, J. J. Synthetic biology moving into the clinic(臨床に進出する合成生物学)。Science 333, 1248-1252 (2011).


Timko, B. P. et al. フレキシブルナノワイヤーデバイスアレイによる心臓からの電気記録。Nano Lett.9, 914-918 (2009).


Viventi, J. et al. 心筋電気生理マッピングのためのコンフォーマル・バイオ・インターフェース・シリコンエレクトロニクスクラス。Sci. Transl.Med.2, 24ra22 (2010).


Kim, D-H. et al. 心筋電気生理マッピングおよびアブレーション治療が可能な多機能バルーンカテーテル用材料。Nature Mater.10, 316-323 (2011).


Viventi, J. et al. Flexible, foldable, active multiplexed, high-density electrode array for mapping brain activity in vivo.Nature Neurosci.14, 1599-1605 (2011).

. et al. Epidermal Electronics.Science 333, 838-843 (2011).

Tian, B. et al. 局所的バイオプローブとしての3次元フレキシブルナノスケール電界効果トランジスタ。Science 329, 831-834 (2010).


Qing, Q. et al. 急性脳スライスにおける神経回路マッピングのためのナノワイヤトランジスタアレイ。Proc.Natl Acad.Sci. USA 107, 1882-1887 (2010).


Cohen-Karni, T., Timko, B. P., Weiss, L. E. & Lieber, C. M. ナノワイヤトランジスタアレイを用いた細胞からの柔軟な電気記録.Proc.Natl Acad.Sci. USA 106, 7309-7313 (2009).


ナノワイヤーデバイスアレイを用いた生体分子、細胞、組織との機能的なナノエレクトロニクスインターフェースの設計と実装。IEEE Trans.Nanotech.9, 269-280 (2010).


Prohaska, O. J., Olcaytug, F., Pfundner, P. & Dragaun, H. 薄膜型多重電極プローブ。可能性と限界。IEEE Trans.Biomed Eng.33, 223-229 (1986).


Nicolelis, M. A. L. (ed.) Methods for Neural Ensemble Recordings 2nd edn (CRC, 2008).

McKnight, T. E. et al. カーボンナノファイバーアレイを用いた常駐型神経電気化学インターフェーシング。J. Phys.B 110, 15317-15327 (2006).


Yu, Z. et al. 垂直配列カーボンナノファイバーアレイは、海馬スライスからの電気生理学的信号を記録する。Nano Lett.7, 2188-2195 (2007).

Dequach, J. A., Yuan, S. H., Goldstein, L. S. & Christman, K. L. Decellularized porcine brain matrix for cell culture and tissue engineering scaffolds(ブタ脳マトリックスの細胞培養および組織工学用足場への再利用)。Tissue Eng.A 17, 2583-2592 (2011).


ラット心筋のサルコメア長を安静時および伸長時のコラーゲン線維の3次元的な配置を明らかにした。J. Physiol.517, 831-837 (1999).


Engelmayr, G. C. Jr et al. 心筋異方性の組織工学のためのアコーディオン状ハニカム(蜂の巣)。Nature Mater.7, 1003-1010 (2008).


Lu, W. & Lieber, C. M. Nanoelectronics from the bottom up.Nature Mater.6, 841-850 (2007).


Yan, H. et al. プログラマブルナノワイヤ回路によるナノプロセッサー。Nature 470, 240-244 (2011).


Wang, M. F., Maleki, T. & Ziaie, B. Enhanced three-dimensional folding of silicon microstructures via thermal shrinkage of a composite organic/inorganic bilayer.(有機/無機複合層の熱収縮によるシリコン微細構造の3次元折りたたみ)。IEEE/ASME J. Microelectromech.Syst.17, 882-889 (2008).


Sapir, Y., Kryukov, O. & Cohen, S. 心組織再生を促進するためのアルギン酸塩足場への複数の細胞-マトリックス相互作用の集積化。Biomaterials 32, 1838-1847 (2011).


Xu, T. et al. 3Dコラーゲンハイドロゲル中で培養した胚性海馬ニューロンの電気生理学的特性評価。Biomaterials 30, 4377-4383 (2009).

Cho, S. H. et al. Biocompatible SU-8-based microprobes for recording neural spike signals from regenerated peripheral nerve fibres(再生した末梢神経線維から神経スパイク信号を記録するための生体適合性SU-8ベースマイクロプローブ)。IEEE Sensors J. 8, 1830-1836 (2008).


Voskerician, G. et al. MEMS ドラッグデリバリーデバイスの生体適合性とバイオファウリング。Biomaterials 24, 1959-1967 (2003).


Zipes, D. P. & Jalife, J. Cardiac Electrophysiology:細胞からベッドサイドまで 第5版(Saunders, 2009).


L'Heureux, N., Pâquet, S., Labbé, R., Germain, L. & Auger, F. A. A completely biological tissue-engineered human blood vessel.(完全生体組織工学的ヒト血管).FASEB J. 12, 47-56 (1998).


L'Heureux, N. et al.成人の動脈血管再建のためのヒト組織工学的血管。Nature Med.12, 361-365 (2006).


Neri, D. & Supuran, C. T. 治療戦略としての腫瘍のpH調節への干渉。Nature Rev. Drug Discov.10, 767-777 (2011).


Kraut, J. A. & Madias, N. E. Metabolic Acidosis: Pathophysiology, Diagnosis and Management.Nature Rev. Nephrol.6, 274-285 (2010).


Dvir, T. et al. ナノワイヤ3次元心筋パッチ。Nature Nanotech.6, 720-725 (2011).


関谷知也他:弾性導電体を用いたゴム状伸縮性アクティブマトリックス.Science 321, 1468-1472 (2008).

Mannsfeld, S. C. B. et al. 微細構造ゴムを誘電体層とする高感度フレキシブル圧力センサーNature Mater.9, 859-864 (2010).


竹井一彦ほか:低電圧マクロスケール人工皮膚のためのナノワイヤアクティブマトリックス回路.Nature Mater.9, 821-826 (2010).

謝 辞

F. Kosarには合成組織サンプルのμCTイメージングについて、J. L. Huangには培養室の準備について、それぞれ謝意を表する。C.M.L.はNIH Director's Pioneer AwardおよびMcKnight Foundation Technological Innovations in Neurosciences Awardの支援を受けていることを認めます。D.S.K.はボストン小児病院麻酔科のBiotechnology Research EndowmentとNIH grant GM073626に謝意を表する。R.S.L.はNIH補助金DE013023およびDE016516に謝意を表する。

著者情報
著者ノート
Bozhi Tian、Jia Liu、Tal Dvir。これらの著者は、この研究に等しく貢献した

著者と所属
ハーバード大学化学・ケミカルバイオロジー学科、マサチューセッツ州ケンブリッジ、米国

Bozhi Tian, Jia Liu, Quan Qing & Charles M. Lieber(田甫志、劉佳、秦泉、チャールズ・リーバー

ハーバード大学医学部ボストン小児病院麻酔科、クリティカルケア医学部、マサチューセッツ州ボストン、02115、USA

Bozhi Tian、Tal Dvir、Jonathan H. Tsui & Daniel S. Kohane

David H. Koch Institute for Integrative Cancer Research, Massachusetts Institute of Technology, Cambridge, Massachusetts 02139, USA(デビッド・H・コーク統合がん研究所、マサチューセッツ工科大学、マサチューセッツ州、米国

Bozhi Tian & Robert Langer

マサチューセッツ工科大学化学工学部、マサチューセッツ州ケンブリッジ、米国

Tal Dvir & Robert Langer

ハーバード大学工学部、マサチューセッツ州ケンブリッジ、米国

Lihua Jin、Zhigang Suo、Charles M. Lieber

寄 稿
B.T., J.L., T.D., D.S.K. and C.M.L. は実験の設計を行った。B.T.とJ.L.は実験を行った。T.D.、J.T.、Q.Q.はプロジェクトの初期段階を支援した。L.J.とZ.S.は計算とシミュレーションを行った。B.T.,J.L.,D.S.K.,C.M.L.は論文を執筆した.全著者が結果について議論し,原稿にコメントした.

連絡先
Daniel S. Kohane または Charles M. Lieber 宛てにご連絡ください。

倫理的宣言
利害関係
著者らは、競合する経済的利害関係を宣言していない。

補足説明

補足情報 (PDF 2019 kb)

転載と許可

この記事について
Tian, B., Liu, J., Dvir, T. et al. マクロポーラス・ナノワイヤ・ナノエレクトロニクス・スキャフォールド・フォー・シンセティック・ティシュー。Nature Mater 11, 986-994 (2012)。https://doi.org/10.1038/nmat3404。

受領日
2012年2月27日

受理
2012年7月19日

公開日
2012年8月26日発行

発行日
2012年11月

DOI
https://doi.org/10.1038/nmat3404

この記事が気に入ったらサポートをしてみませんか?