Terwijl ik deze woorden typ, denk ik niet aan de gesynchroniseerde spiersamentrekkingen waardoor mijn vingers over het toetsenbord kunnen dansen. Of de rugspieren die onbewust aanspannen om mezelf rechtop te houden terwijl ik op een sponsachtig kussen zit.

Het is gemakkelijk om onze spieren als vanzelfsprekend te beschouwen. Maar onder de motorkap passen spiercellen zich perfect aan om vezels – verweven met bloedvaten en zenuwen – op te bouwen tot een biologische machine waarmee we ons in ons dagelijks leven kunnen voortbewegen zonder erbij na te denken.

Helaas zijn deze precieze celopstellingen ook de reden waarom kunstmatige spieren moeilijk na te maken zijn in het laboratorium. Ondanks dat ze zacht, zacht en gemakkelijk beschadigd zijn, kunnen onze spieren ongelooflijke prestaties leveren: zich aanpassen aan zware belastingen, de buitenwereld waarnemen en zich weer opbouwen na een blessure. Een belangrijke reden voor deze superkrachten is de uitlijning, dat wil zeggen de manier waarop spiercellen zich oriënteren om rekbare vezels te vormen.

Nu, een nieuwe studie suggereert dat de oplossing voor het kweken van betere in het laboratorium gekweekte spieren magneten kunnen zijn. Onder leiding van Dr. Ritu Raman van het Massachusetts Institute of Technology (MIT) ontwikkelden wetenschappers een magnetische hydrogel-‘sandwich’ die de oriëntatie van de spiercellen in een laboratoriumschaal regelt. Door de positie van de magneten te veranderen, werden de spiercellen uitgelijnd tot vezels die synchroon samentrokken alsof ze zich in een lichaam bevonden.

Het hele streven klinkt nogal Frankenstein. Maar in het laboratorium gekweekte weefsels zouden op een dag kunnen worden geënt op mensen met zwaar beschadigde spieren – hetzij door erfelijke ziekten of traumatische verwondingen – en hun vermogen om vrij door de wereld te navigeren, herstellen. Synthetische spieren zou ook kunnen coaten robots, waardoor ze mensachtige zintuigen krijgen, flexibele motorische controle en het vermogen om te genezen na onvermijdelijke krassen en schaafwonden.

Ramans werk zet een stap in die richting. Haar team bouwde een bioproductieplatform dat zich richtte op het repliceren van de mechanische krachten tussen spiercellen en hun omgeving, een relatie die essentieel is voor de cellen om zich in weefsels te organiseren. Maar het gaat niet alleen om het nabootsen van fysieke krachten: strekken, trekken of draaien. In plaats daarvan houdt het platform ook rekening met hoe mechanische bewegingen de communicatie tussen cellen veranderen, waardoor ze op één lijn komen te staan.

Samen met een aangepast algoritme veranderde het platform cellen in wezen in een levend, functioneel biomateriaal dat zichzelf organiseert en reageert op duwen en trekken. Op zijn beurt zou het systeem ook licht kunnen werpen op het opmerkelijke vermogen van spiercellen om zich aan te passen, uit te lijnen en te regenereren.

“Het vermogen om in een laboratoriumomgeving uitgelijnde spieren te maken, betekent dat we modelweefsels kunnen ontwikkelen voor het begrijpen van spieren in gezonde en zieke toestanden en voor het ontwikkelen en testen van nieuwe therapieën die spierblessures of -ziekten bestrijden”, zei Raman tijdens een persconferentie.

Door gespierd

Raman heeft lang geprobeerd levende cellen te gebruiken als adaptief bioproductiemateriaal.

Ruim een ​​half decennium geleden was ze engineer kleine 3D-geprinte cyborgbots met genetisch gewijzigde spiercellen die op licht reageerden. Als motten voor een vlam volgden de biobots lichtstralen. Verrassend genoeg werden de spieren van de bots, net als bij goedgetrainde atleten, flexibeler tijdens het oefenen, waardoor ze door verschillende uitdagingen heen konden sturen en roteren.

De resultaten deden het team zich afvragen: moeten we de weefsels ‘oefenen’ om in het laboratorium gekweekte spieren volledig te laten functioneren?

Het antwoord is schijnbaar ja. In een onderzoek van vorige week breidde het team hun bio-botresultaten uit met door licht geactiveerde spiertransplantaten om een ​​grote spierblessure in de achterpoten van muizen te herstellen.

Spiertransplantaties zijn niets nieuws, maar ze moeten in hun gastheren worden geïntegreerd, wat vaak moeilijk is. Hier herstelden muizen met Raman-transplantaten in slechts twee weken volledig hun mobiliteit.

Het team scheen stralen blauw licht dagelijks op de spiertransplantaten als oefeningsregime om ze te versterken na implantatie in de gastheer. De training hield de transplantaten niet alleen in leven, maar spoorde hen ook aan om bloedvaten en zenuwcellen te laten groeien die in verbinding stonden met het gastlichaam. Met slechts een half uur per dag gedurende tien dagen verhoogde de behandeling de spierkracht drie keer.

"Het oefenen van spiertransplantaten nadat ze zijn geïmplanteerd, doet meer dan alleen de spieren sterker maken, het lijkt ook invloed te hebben op de manier waarop spieren communiceren met ander weefsel, zoals bloedvaten en zenuwen." zei Raman.

Toch bleef er een vraag over: kun je spiervezels sterker maken door oefening in een petrischaaltje buiten het lichaam?

Magnetische training

Het is geen gek idee. Uit Ramans eerdere onderzoek bleek dat het 30 minuten per dag zappen van spiervezels met elektrische uitbarstingen de vezels na slechts 10 dagen sterker maakte.

Spieren zijn bedraad om te reageren op elektrische signalen van de hersenen. Ze zijn echter ook gevoelig voor mechanische krachten, die in het laboratorium moeilijk te reproduceren zijn.

"Als mensen weefsels mechanisch willen stimuleren in een laboratoriumomgeving, pakken ze het weefsel over het algemeen aan beide uiteinden vast en bewegen het heen en weer, waarbij het hele weefsel wordt uitgerekt en samengedrukt", zei Raman in de briefing. "Maar dit bootst niet echt na hoe cellen in ons lichaam met elkaar praten."

Voer MagMA in. Een afkorting voor Magnetic Matrix Actuation (ja, het is een hele mondvol), het systeem bootst de gelachtige structuur na die de spiercellen omringt. Het is eigenlijk een sandwich: de binnenste laag is een magnetische siliconen “vulling” ingebed met ijzeren microdeeltjes. De twee ‘broodsneetjes’ bestaan ​​uit een hydrogel gemaakt met ingrediënten uit een natuurlijk eiwit.

Toegevoegd aan de bodem van een petrischaaltje, functioneert MagMA als de gelachtige matrix waarmee spiercellen interageren, maar met een magnetische boost.

Het team wilde weten of magneten, net als elektriciteit en licht, ook kunnen worden gebruikt om spieren te trainen en ze aan te moedigen vezels te vormen.

Ze lieten een laag spiercellen groeien in een met MagMA gecoate petrischaal. Door een magneet over de petrischaal te laten glijden, verplaatsten ze de magnetische deeltjes in de hydrogel, waardoor de cellen mechanisch werden gebogen. Het systeem is zeer goed controleerbaar: het veranderen van het pad van de magneet verandert de grootte en richting van de mechanische krachten die de cellen ervaren, waardoor hun oriëntatie verandert.

Over het geheel genomen ontdekte het team dat de spiercellen snel uitgelijnd waren in netjes gebundelde spiervezels. Hoewel de vezels niet sterker waren, waren ze meer georganiseerd. Cellen gekweekt in standaardschalen groeiden daarentegen chaotisch en vormden spiervezels die in strijd waren met de oriëntatie van hun buren.

Het verschil in structuur veranderde de functie van de spier: spiercellen die geprogrammeerd waren met MagMA-hydrogels trilden synchroon samen – een cruciale behoefte bij het ontwikkelen van functionele spieren. Degenen die zonder MagMA waren gekweekt, bewogen ook, maar waarbij elke vezel op zijn eigen toon trilde, wat resulteerde in een soort spasme.

“We waren erg verrast door de bevindingen van ons onderzoek”, zegt Raman. "Dit bevestigde ons begrip dat de vorm en functie van spieren intrinsiek met elkaar verbonden zijn, en dat het controleren van de vorm ons kan helpen de functie te controleren."

Het magnetische platform staat nog in de kinderschoenen. Het team probeert nu de magneetsterkte en andere parameters te optimaliseren om de spiergroei en -functie zo goed mogelijk te stimuleren. Ze breiden het platform ook uit naar andere celtypen in de weefseltechnologie en stemmen de hydrogelcomponent af met andere materialen voor specifieke bioproductiebehoeften.

Het team is er zeker van dat het opbouwen van spieren slechts de eerste stap is. Wij denken dat “dit platform een ​​breed scala aan fundamentele en translationele studies op het gebied van mechanobiologie, regeneratieve geneeskunde en biohybride robotica zal aansturen”, schreven ze in het onderzoek.

Beeldcredits: Ella Marushchenko

• Door SEO aangedreven content en PR-distributie. Word vandaag nog versterkt.
• PlatoData.Network Verticale generatieve AI. Versterk jezelf. Toegang hier.
• PlatoAiStream. Web3-intelligentie. Kennis versterkt. Toegang hier.
• PlatoESG. carbon, CleanTech, Energie, Milieu, Zonne, Afvalbeheer. Toegang hier.
• Plato Gezondheid. Intelligentie op het gebied van biotech en klinische proeven. Toegang hier.
• Bron: https://singularityhub.com/2023/10/20/scientists-pump-up-lab-grown-muscles-for-robots-with-a-magnetic-workout/