Καθώς πληκτρολογώ αυτές τις λέξεις, δεν σκέφτομαι τις συγχρονισμένες μυϊκές συσπάσεις που επιτρέπουν στα δάχτυλά μου να χορεύουν στο πληκτρολόγιο. Ή τους μύες της πλάτης που σφίγγονται ασυναίσθητα για να κρατηθώ όρθιος ενώ κάθομαι σε ένα σπογγώδες μαξιλάρι.

Είναι εύκολο να θεωρούμε τους μύες μας δεδομένους. Αλλά κάτω από την κουκούλα, τα μυϊκά κύτταρα ευθυγραμμίζονται τέλεια για να δημιουργήσουν ίνες - συνυφασμένες με αιμοφόρα αγγεία και νεύρα - σε μια βιολογική μηχανή που μας επιτρέπει να κινούμαστε στην καθημερινή μας ζωή χωρίς δεύτερη σκέψη.

Δυστυχώς, αυτές οι ακριβείς κυτταρικές ρυθμίσεις είναι επίσης ο λόγος για τον οποίο οι τεχνητοί μύες είναι δύσκολο να αναδημιουργηθούν στο εργαστήριο. Παρά το γεγονός ότι είναι μαλακοί, στριμωγμένοι και εύκολα καταστρέφονται, οι μύες μας μπορούν να κάνουν απίστευτα κατορθώματα—να προσαρμοστούν σε βαριά φορτία, να αντιληφθούν τον έξω κόσμο και να ξαναχτιστούν μετά από τραυματισμό. Ένας κύριος λόγος για αυτές τις υπερδυνάμεις είναι η ευθυγράμμιση—δηλαδή ο τρόπος με τον οποίο τα μυϊκά κύτταρα προσανατολίζονται για να σχηματίσουν ελαστικές ίνες.

Τώρα, μια νέα μελέτη προτείνει ότι η λύση για την ανάπτυξη των μυών που αναπτύσσονται καλύτερα στο εργαστήριο μπορεί να είναι οι μαγνήτες. Με επικεφαλής τον Δρ. Ritu Raman στο Ινστιτούτο Τεχνολογίας της Μασαχουσέτης (MIT), οι επιστήμονες ανέπτυξαν ένα μαγνητικό «σάντουιτς» υδρογέλης που ελέγχει τον προσανατολισμό των μυϊκών κυττάρων σε ένα πιάτο εργαστηρίου. Με την αλλαγή της θέσης των μαγνητών, τα μυϊκά κύτταρα ευθυγραμμίστηκαν σε ίνες που συστέλλονταν συγχρονισμένα σαν να ήταν μέσα σε ένα σώμα.

Η όλη προσπάθεια ακούγεται μάλλον Φρανκενστάιν. Αλλά οι ιστοί που έχουν αναπτυχθεί στο εργαστήριο θα μπορούσαν μια μέρα να μεταμοσχευθούν σε άτομα με βαριά κατεστραμμένους μύες - είτε από κληρονομικές ασθένειες είτε από τραυματικούς τραυματισμούς - και να αποκαταστήσουν την ικανότητά τους να περιηγούνται ελεύθερα στον κόσμο. Συνθετικοί μύες θα μπορούσε επίσης να παλτό ρομπότ, παρέχοντάς τους αισθήσεις που μοιάζουν με τον άνθρωπο, ευέλικτο έλεγχο του κινητήρα και την ικανότητα να επουλώνονται μετά από αναπόφευκτες γρατζουνιές και γρατζουνιές.

Το έργο του Raman κάνει ένα βήμα προς αυτή την κατεύθυνση. Η ομάδα της κατασκεύασε μια πλατφόρμα βιοκατασκευής που επικεντρώθηκε στην αναπαραγωγή των μηχανικών δυνάμεων μεταξύ των μυϊκών κυττάρων και του περιβάλλοντός τους, μια σχέση απαραίτητη για την οργάνωση των κυττάρων σε ιστούς. Αλλά δεν έχει να κάνει μόνο με τη μίμηση φυσικών δυνάμεων — το τέντωμα, το τράβηγμα ή το στρίψιμο. Αντίθετα, η πλατφόρμα λαμβάνει επίσης υπόψη τον τρόπο με τον οποίο οι μηχανικές κινήσεις αλλάζουν τις επικοινωνίες μεταξύ των κυψελών κατευθύνοντάς τις να ευθυγραμμιστούν.

Μαζί με έναν προσαρμοσμένο αλγόριθμο, η πλατφόρμα ουσιαστικά μετέτρεψε τα κύτταρα σε ένα ζωντανό, λειτουργικό βιοϋλικό που αυτο-οργανώνεται και ανταποκρίνεται σε ωθήσεις και έλξεις. Με τη σειρά του, το σύστημα θα μπορούσε επίσης να ρίξει φως στην αξιοσημείωτη ικανότητα των μυϊκών κυττάρων να προσαρμόζονται, να ευθυγραμμίζονται και να αναγεννώνται.

«Η ικανότητα δημιουργίας ευθυγραμμισμένων μυών σε εργαστηριακό περιβάλλον σημαίνει ότι μπορούμε να αναπτύξουμε ιστούς μοντέλων για την κατανόηση των μυών σε υγιείς και άρρωστες καταστάσεις και για την ανάπτυξη και τη δοκιμή νέων θεραπειών που καταπολεμούν μυϊκούς τραυματισμούς ή ασθένειες», δήλωσε ο Raman σε συνέντευξη Τύπου.

Muscling Though

Ο Raman έχει από καιρό επιδιώξει να χρησιμοποιήσει ζωντανά κύτταρα ως προσαρμοστικό βιοκατασκευαστικό υλικό.

Πάνω από μισή δεκαετία πριν, έκανε μηχανική μικροσκοπικά τρισδιάστατα εκτυπωμένα cyborg bots με γενετικά τροποποιημένα μυϊκά κύτταρα που ανταποκρίθηκαν στο φως. Σαν σκώροι σε φλόγα, τα βιο-μποτ ακολουθούσαν δέσμες φωτός. Παραδόξως, όπως και οι καλά εκπαιδευμένοι αθλητές, οι μηχανικοί μύες των bots έγιναν πιο ευέλικτοι καθώς ασκούνταν, επιτρέποντάς τους να οδηγούν και να περιστρέφονται μέσα από διαφορετικές προκλήσεις.

Τα αποτελέσματα έκαναν την ομάδα να αναρωτηθεί: Για να λειτουργήσουν πλήρως οι μύες που αναπτύχθηκαν στο εργαστήριο, χρειάζεται να «ασκήσουμε» τους ιστούς;

Η απάντηση είναι φαινομενικά ναι. Σε μια μελέτη την περασμένη εβδομάδα, η ομάδα επέκτεινε τα αποτελέσματα του bio-bot με μοσχεύματα μυών που ενεργοποιούνται με φως για την αποκατάσταση ενός μεγάλου μυϊκού τραυματισμού στα πίσω πόδια των ποντικών.

Τα μυϊκά μοσχεύματα δεν είναι κάτι καινούργιο, αλλά πρέπει να ενσωματωθούν στους ξενιστές τους, κάτι που συχνά είναι δύσκολο. Εδώ, τα ποντίκια με μοσχεύματα Raman ανέκτησαν πλήρως την κινητικότητα σε μόλις δύο εβδομάδες.

Η ομάδα ακτίνες μπλε φωτός στα μυϊκά μοσχεύματα καθημερινά ως πρόγραμμα άσκησης για την ενίσχυσή τους μετά την εμφύτευση στον ξενιστή. Η προπόνηση δεν κράτησε απλώς τα μοσχεύματα ζωντανά, αλλά τα ώθησε επίσης να αναπτύξουν αιμοφόρα αγγεία και νευρικά κύτταρα που συνδέονταν με το σώμα του ξενιστή. Με μόλις μισή ώρα την ημέρα για 10 ημέρες, η θεραπεία αύξησε τη μυϊκή δύναμη κατά τρεις φορές.

«Η άσκηση των μυϊκών μοσχευμάτων μετά την εμφύτευσή τους κάνει περισσότερα από το να κάνει τους μυς πιο δυνατούς, φαίνεται επίσης να επηρεάζει τον τρόπο επικοινωνίας των μυών με άλλους ιστούς, όπως τα αιμοφόρα αγγεία και τα νεύρα». είπε Raman.

Ωστόσο, ένα ερώτημα παρέμενε: Μπορείτε να κάνετε τις μυϊκές ίνες πιο δυνατές με την άσκηση σε ένα πιάτο Petri έξω από το σώμα;

Μαγνητική προπόνηση

Δεν είναι τρελή ιδέα. Η προηγούμενη εργασία του Raman βρήκε ότι το ζάπισμα των μυϊκών ινών με ηλεκτρικές εκρήξεις για 30 λεπτά την ημέρα έκανε τις ίνες ισχυρότερες μετά από μόλις 10 ημέρες.

Οι μύες είναι καλωδιωμένοι για να ανταποκρίνονται στα ηλεκτρικά σήματα από τον εγκέφαλο. Ωστόσο, είναι επίσης ευαίσθητα σε μηχανικές δυνάμεις, οι οποίες είναι δύσκολο να αναπαραχθούν στο εργαστήριο.

«Γενικά, όταν οι άνθρωποι θέλουν να διεγείρουν μηχανικά τους ιστούς σε ένα εργαστηριακό περιβάλλον, πιάνουν τον ιστό και στα δύο άκρα και τον μετακινούν εμπρός και πίσω, τεντώνοντας και συμπιέζοντας ολόκληρο τον ιστό», είπε ο Raman στην ενημέρωση. «Αλλά αυτό δεν μιμείται πραγματικά το πώς τα κύτταρα μιλάνε μεταξύ τους στο σώμα μας».

Εισαγάγετε το MagMA. Σύντομο για την ενεργοποίηση μαγνητικής μήτρας (ναι, είναι μια μπουκιά), το σύστημα μιμείται τη δομή που μοιάζει με γέλη που περιβάλλει τα μυϊκά κύτταρα. Είναι βασικά ένα σάντουιτς: Το εσωτερικό στρώμα είναι ένα μαγνητικό «γέμιση» σιλικόνης ενσωματωμένο με μικροσωματίδια σιδήρου. Οι δύο «φέτες ψωμιού» αποτελούνται από μια υδρογέλη φτιαγμένη με συστατικά από φυσική πρωτεΐνη.

Προστέθηκε στον πάτο ενός πιάτου Petri, το MagMA λειτουργεί όπως η μήτρα που μοιάζει με γέλη με την οποία αλληλεπιδρούν τα μυϊκά κύτταρα — αλλά με μαγνητική ώθηση.

Η ομάδα ήθελε να μάθει εάν, όπως ο ηλεκτρισμός και το φως, οι μαγνήτες μπορούν επίσης να χρησιμοποιηθούν για την άσκηση των μυών και την ενθάρρυνση τους να σχηματίσουν ίνες.

Μεγάλωσαν ένα στρώμα μυϊκών κυττάρων σε ένα τρυβλίο Petri επικαλυμμένο με MagMA. Γλιστρώντας έναν μαγνήτη κατά μήκος του τρυβλίου Petri, μετακινούσαν τα μαγνητικά σωματίδια στην υδρογέλη, η οποία με τη σειρά της κάμψε μηχανικά τα κύτταρα. Το σύστημα είναι εξαιρετικά ελεγχόμενο: η αλλαγή της διαδρομής του μαγνήτη αλλάζει το μέγεθος και την κατεύθυνση των μηχανικών δυνάμεων που βιώνουν τα κύτταρα, αλλάζοντας με τη σειρά του τον προσανατολισμό τους.

Συνολικά, η ομάδα βρήκε τα μυϊκά κύτταρα ευθυγραμμισμένα γρήγορα σε ομαδοποιημένες μυϊκές ίνες. Αν και οι ίνες δεν ήταν πιο δυνατές, ήταν πιο οργανωμένες. Αντίθετα, τα κύτταρα που αναπτύχθηκαν σε τυπικά πιάτα αναπτύχθηκαν χαοτικά, σχηματίζοντας μυϊκές ίνες σε αντίθεση με τον προσανατολισμό των γειτόνων τους.

Η διαφορά στη δομή άλλαξε τη λειτουργία του μυός: τα μυϊκά κύτταρα προγραμματισμένα με υδρογέλες MagMA συσπώνται μαζί σε συγχρονισμό - μια κρίσιμη ανάγκη κατά την κατασκευή λειτουργικών μυών. Αυτά που αναπτύχθηκαν χωρίς MagMA μετακινήθηκαν επίσης, αλλά με κάθε ίνα να συσπάται με τον δικό της ρυθμό, με αποτέλεσμα ένα είδος σπασμού.

«Μας εξέπληξαν πολύ τα ευρήματα της μελέτης μας», είπε ο Raman. «Αυτό επιβεβαίωσε την κατανόησή μας ότι η μορφή και η λειτουργία των μυών συνδέονται εγγενώς και ότι η ελεγκτική φόρμα μπορεί να μας βοηθήσει να ελέγξουμε τη λειτουργία».

Η μαγνητική πλατφόρμα είναι ακόμα στις πρώτες μέρες της. Η ομάδα προσπαθεί τώρα να βελτιστοποιήσει τη δύναμη του μαγνήτη και άλλες παραμέτρους για να τονώσει καλύτερα την ανάπτυξη και τη λειτουργία των μυών. Επεκτείνουν επίσης την πλατφόρμα σε άλλους τύπους κυττάρων στη μηχανική ιστών και προσαρμόζουν το συστατικό υδρογέλης με άλλα υλικά για συγκεκριμένες ανάγκες βιοκατασκευής.

Η ομάδα είναι βέβαιη ότι το χτίσιμο των μυών είναι μόνο το πρώτο βήμα. Πιστεύουμε ότι «αυτή η πλατφόρμα θα οδηγήσει ένα ευρύ φάσμα θεμελιωδών και μεταφραστικών μελετών μηχανοβιολογίας, αναγεννητικής ιατρικής και βιοϋβριδικής ρομποτικής», έγραψαν στη μελέτη.

Πίστωση εικόνας: Ella Marushchenko

• SEO Powered Content & PR Distribution. Ενισχύστε σήμερα.
• PlatoData.Network Vertical Generative Ai. Ενδυναμώστε τον εαυτό σας. Πρόσβαση εδώ.
• PlatoAiStream. Web3 Intelligence. Ενισχύθηκε η γνώση. Πρόσβαση εδώ.
• PlatoESG. Ανθρακας, Cleantech, Ενέργεια, Περιβάλλον, Ηλιακός, Διαχείριση των αποβλήτων. Πρόσβαση εδώ.
• PlatoHealth. Ευφυΐα βιοτεχνολογίας και κλινικών δοκιμών. Πρόσβαση εδώ.
• πηγή: https://singularityhub.com/2023/10/20/scientists-pump-up-lab-grown-muscles-for-robots-with-a-magnetic-workout/