Overal ter wereld proberen wetenschappers functionele volwassen cellen te maken uit stamcellen. Dat lukt al vrij aardig en soms is het zelfs mogelijk om complete stukjes weefsel te kweken. Zulk kweekweefsel biedt mogelijkheden voor de behandeling van allerlei ziekten. De huidige methode om cellen te laten groeien is niet perfect, meent Alex Savchenko, onderzoeker aan de Amerikaanse University of California. Cellen worden nu vaak gekweekt op een ondergrond van plastic of glas. Dat is verre van natuurlijk. In het lichaam vind je geen oppervlakten die zich gedragen als één van deze materialen. Zo zijn plastic en glas isolatoren, terwijl het lichaam elektriciteit geleidt.
Elektrische signalen
Savchenko en zijn team probeerden het daarom op een andere manier. Zij lieten gekweekte hartcellen groeien op grafeen. Grafeen is een materiaal dat, net als ons lichaam, voor een belangrijk deel bestaat uit koolstof. Op grafeen groeien cellen beter dan op plastic of glas, schrijven de onderzoekers in het blad ScienceAdvances.
Grafeen heeft nog meer voordelen. Het materiaal is namelijk in staat om lichtenergie om te zetten in een elektrisch signaal. Niet voor niets is er in de afgelopen jaren veel onderzoek gedaan naar het gebruik van grafeen in zonnecellen. Ook in het lichaam spelen elektrische signalen een rol. Zo worden boodschappen in de hersenen doorgegeven doordat zenuwcellen voortdurend elektrische signalen naar elkaar sturen. Het hart klopt doordat speciale cellen van het prikkelgeleidingssysteem met behulp van elektrische signalen bepalen welk gedeelte van het hart samentrekt en in welk tempo.
Door grafeen te beschijnen met licht komt er een elektrisch signaal vrij. Dit heeft invloed op de gekweekte hartcellen. Het systeem is verrassend flexibel. Savchenko kon de cellen geheel naar zijn hand zetten. Moeten ze twee keer zo snel kloppen of zelfs drie keer zo snel? Geen probleem. Het is een kwestie van de lichtintensiteit opvoeren.
Biomedisch onderzoek
Om te kijken of het systeem ook in een levend organisme werkt, brachten de wetenschappers piepkleine stukjes grafeen in bij zebravisembryo’s. Door het grafeen met licht te beschijnen, konden ze het hartritme van de embryo’s manipuleren. Dit gaf geen noemenswaardige bijwerkingen. Savchenko hoopt dat grafeen uiteindelijk een vervanger kan zijn voor de traditionele pacemaker, maar dat is nog verre toekomstmuziek. Hij ziet wel mogelijkheden om grafeen ook op korte termijn in te zetten voor biomedisch onderzoek.
Gekweekte hartcellen in het normale ritme gaan sneller kloppen als ze worden beschenen met licht. Bron: UC San Diego Health/Nanotools Bioscience
Zo zou grafeen goed van pas komen bij het testen van medicijnen. Nu worden experimentele medicijnen blootgesteld aan cellen op glas of plastic. Op die manier missen wetenschappers mogelijk goede geneesmiddelen die alleen werken in bepaalde omstandigheden. Het medicijn mexiletine, bijvoorbeeld, werkt alleen bij een versnelde hartslag. Als de cellen in hun eigen ritme samentrekken (zoals in een traditioneel testsysteem) gebeurt er niks. In het testsysteem met grafeen zag Savchenko dat hoe sneller de hartcellen kloppen, hoe beter mexiletine de hartslag onderdrukt.
Is grafeen het nieuwe wondermateriaal voor biomedisch onderzoek? Dat zal moeten blijken. Het gebruik van grafeen is in ieder geval niet helemaal zonder risico. Onderzoek wijst uit dat het materiaal schadelijk kan zijn voor levende organismen. Bij de productie van grafeenplaatjes kunnen koolstofdeeltjes, via inademing, in weefsel terecht komen. De deeltjes beschadigen het weefsel en dat kan leiden tot klachten, vergelijkbaar met die van blootstelling aan asbest. Er zijn richtlijnen om veilig te werken met grafeen en het risico op gezondheidsklachten te verkleinen. Het is nog maar de vraag of biomedische laboratoria dat risico wel willen nemen.
Bron:
Alex Savchenko e.a. Graphene biointerfaces for optical stimulation of cells ScienceAdvances, 18 mei 2018 (online), doi:10.1126/sciadv.aat0351