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利用心肌细胞开发出“活的二极管”

科学家朝模拟生物系统在体内相互作用和加工信息的目标上更接近一步,这也是朝制造新的生物机器人和开发**肌肉退行性**、心律不齐和截肢等几种肌肉相关健康问题的新方法的目标上迈出的至关重要的一步。

在一项新的研究中,来自美国诺特丹大学的研究人员利用心肌细胞和心脏成纤维细胞(在心脏结缔组织中发现的细胞),构建出一种“活的二极管(living diode)”,而且这种二极管能够用于基于细胞的信息加工。他们通过一种新的自我形成的微图案化方法构建出这种基于肌肉的电路。相关研究结果近期发表在Advanced Biosystems期刊上,标题为“Muscle-Cell-Based ‘Living Diodes’”。通信作者为诺特丹大学航空航天与机械工程系助理教授Pinar Zorlutuna。

使用肌肉细胞(如心肌细胞)为构建功能性的生物结构或“计算组织(computational tissue)”从而允许器官控制和指导体内的机械装置打开大门。这种设计按照一种矩形图案排列这两种类型的细胞(即心肌细胞和心脏成纤维细胞),将可兴奋细胞和非可兴奋细胞分离开来,从而允许Zorlutuna和她的团队单向地转换电信号,并且利用活的细胞实现二极管功能。除了这种类似二极管的功能之外,这些心肌细胞的天然跳动能力允许她的团队通过调制这些细胞的电活动频率传递嵌入到这些电信号中的信息。

Zorlutuna说,“当心肌细胞内在地通过细胞间连接(intercellular junction)与心脏成纤维细胞连接在一起时,它们具有对外部信号作出反应的独特能力。通过将这两种类型的细胞结合在一起,我们能够定向地启动、放大和传播信号。成功地开发出这种心肌细胞二极管有可能将这种基于细胞的电路与一种生命系统连接在一起以及构建用于生物医学工程应用(如生物传动装置和生物传感器)的功能性控制部件。”

Zorlutuna团队的这项研究为生物计算(biocomputing)提供新的方案。生物计算主要集中利用经过基因修饰的单细胞的基因电路或者掺杂着化学添加剂的神经元网络,构建信息加工系统。鉴于这些单细胞接力执行化学过程,这种单细胞方案更慢地加工信息,而且基于神经元的方案能够错误地发送信号,在高达10%的时间里反向发送信号。

Zorlutuna探究生物仿生环境旨在理解和控制细胞行为。她也利用组织工程和基因工程技术以及微米技术和纳米技术研究细胞间相互作用和细胞-环境相互作用
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