Когда я печатаю эти слова, я не думаю о синхронных сокращениях мышц, которые позволяют моим пальцам танцевать по клавиатуре. Или мышцы спины, которые бессознательно напрягаются, чтобы удержаться в вертикальном положении, когда я сижу на губчатой ​​подушке.

Легко воспринимать наши мышцы как нечто само собой разумеющееся. Но под капотом мышечные клетки идеально выстраиваются, чтобы построить волокна, переплетенные с кровеносными сосудами и нервами, в биологическую машину, которая позволяет нам передвигаться в повседневной жизни, не задумываясь.

К сожалению, именно такое точное расположение клеток является причиной того, что искусственные мышцы трудно воссоздать в лаборатории. Несмотря на то, что наши мышцы мягкие, мягкие и легко повреждаются, они способны совершать невероятные подвиги — адаптироваться к тяжелым нагрузкам, ощущать внешний мир и восстанавливаться после травм. Основная причина этих сверхспособностей — выравнивание, то есть то, как мышечные клетки ориентируются для формирования эластичных волокон.

Теперь, нового исследования предполагает, что решением проблемы наращивания мышц, выращенных в лаборатории, могут стать магниты. Под руководством доктора Риту Раман из Массачусетского технологического института (MIT) ученые разработали магнитный гидрогелевый «сэндвич», который контролирует ориентацию мышечных клеток в лабораторной чашке. Изменяя положение магнитов, мышечные клетки выстраивались в волокна, которые сокращались синхронно, как если бы они находились внутри тела.

Вся эта попытка звучит скорее как Франкенштейн. Но однажды выращенные в лаборатории ткани можно будет пересадить людям с сильно поврежденными мышцами (в результате наследственных заболеваний или травматических повреждений) и восстановить их способность свободно ориентироваться в мире. Синтетические мышцы мог бы также покрыть Роботы, наделяя их человеческими чувствами, гибким контролем движений и способностью восстанавливаться после неизбежных царапин и потертостей.

Работа Рамана делает шаг в этом направлении. Ее команда создала биопроизводственную платформу, ориентированную на воспроизведение механических сил между мышечными клетками и окружающей их средой — взаимосвязей, необходимых для организации клеток в ткани. Но речь идет не только об имитации физических сил — растяжении, вытягивания или скручивания. Скорее, платформа также учитывает, как механические движения изменяют связь между клетками, направляя их к выравниванию.

Помимо специального алгоритма, платформа по сути превратила клетки в живой функциональный биоматериал, который самоорганизуется и реагирует на толчки и притяжения. В свою очередь, система может также пролить свет на замечательную способность мышечных клеток адаптироваться, выравниваться и восстанавливаться.

«Возможность создавать ровные мышцы в лабораторных условиях означает, что мы можем разрабатывать модельные ткани для понимания мышц в здоровых и больных состояниях, а также для разработки и тестирования новых методов лечения мышечных травм или заболеваний», — сказал Раман на брифинге для прессы.

Силами через

Раман уже давно стремится использовать живые клетки в качестве адаптивного биопроизводственного материала.

Более пятидесяти лет назад она разработала крошечные киборги-боты, напечатанные на 3D-принтере с генетически измененными мышечными клетками, которые реагировали на свет. Как мотыльки в пламени, биоботы следовали за лучами света. Удивительно, но, как и у хорошо тренированных спортсменов, спроектированные мышцы ботов становились более гибкими во время тренировок, что позволяло им управлять автомобилем и вращаться при выполнении различных задач.

Результаты заставили команду задуматься: нужно ли нам, чтобы выращенные в лаборатории мышцы полноценно функционировали, «тренировать» ткани?

Ответ, казалось бы, да. В исследовании на прошлой неделе команда расширила результаты своих биоботов с помощью светоактивируемые мышечные трансплантаты для восстановления крупной мышечной травмы задних лап мышей.

Мышечные трансплантаты не являются чем-то новым, но им необходимо интегрироваться в своих хозяев, что часто бывает сложно. Здесь мыши с рамановскими трансплантатами полностью восстановили подвижность всего за две недели.

Команда сияющие лучи синего света на мышечные трансплантаты ежедневно в качестве режима упражнений для их укрепления после имплантации хозяину. Тренировка не только сохранила трансплантаты живыми, но и стимулировала их рост кровеносных сосудов и нервных клеток, связанных с телом хозяина. Всего за полчаса в день в течение 10 дней лечение увеличило мышечную силу в три раза.

«Тренировка мышечных трансплантатов после их имплантации не только делает мышцы сильнее, но и влияет на то, как мышцы взаимодействуют с другими тканями, такими как кровеносные сосуды и нервы», — сказал Раман.

Однако оставался вопрос: можно ли укрепить мышечные волокна с помощью упражнений в чашке Петри вне тела?

Магнитная тренировка

Это не сумасшедшая идея. Предыдущая работа Рамана показала, что воздействие на мышечные волокна электрическими импульсами в течение 30 минут в день делало волокна сильнее всего через 10 дней.

Мышцы устроены так, чтобы реагировать на электрические сигналы мозга. Однако они также чувствительны к механическим воздействиям, которые трудно воспроизвести в лаборатории.

«Обычно, когда люди хотят механически стимулировать ткани в лабораторных условиях, они захватывают ткань за оба конца и перемещают ее вперед и назад, растягивая и сжимая всю ткань», — сказал Раман на брифинге. «Но на самом деле это не имитирует то, как клетки разговаривают друг с другом в нашем организме».

Введите МагМА. Сокращенно от «активации магнитной матрицы» (да, это слишком сложно), система имитирует гелеобразную структуру, окружающую мышечные клетки. По сути, это сэндвич: внутренний слой представляет собой магнитную силиконовую «начинку», в которую встроены микрочастицы железа. Два «ломтика хлеба» состоят из гидрогеля, изготовленного из ингредиентов натурального белка.

Добавленный на дно чашки Петри, MagMA действует как гелеобразная матрица, с которой взаимодействуют мышечные клетки, но с магнитным усилением.

Команда хотела знать, можно ли, как электричество и свет, использовать магниты для тренировки мышц и стимулирования их образования волокон.

Они вырастили слой мышечных клеток в чашке Петри, покрытой MagMA. Продвигая магнит по чашке Петри, они перемещали магнитные частицы в гидрогеле, что, в свою очередь, механически сгибало клетки. Система легко управляема: изменение траектории магнита меняет величину и направление механических сил, которые испытывают клетки, в свою очередь меняя их ориентацию.

В целом команда обнаружила, что мышечные клетки быстро выстраиваются в аккуратные пучки мышечных волокон. Хотя волокна не были сильнее, они были более организованными. Напротив, клетки, выращенные в стандартных чашках, росли хаотично, образуя мышечные волокна, идущие вразрез с ориентацией своих соседей.

Разница в структуре изменила функцию мышц: мышечные клетки, запрограммированные с помощью гидрогелей MagMA, дергались синхронно, что является критической необходимостью при разработке функциональных мышц. Те, что выросли без MagMA, тоже двигались, но каждое волокно дергалось в свою сторону, что приводило к своего рода спазму.

«Мы были очень удивлены результатами нашего исследования», — сказал Раман. «Это подтвердило наше понимание того, что форма и функция мышц неразрывно связаны, и что контроль формы может помочь нам контролировать функцию».

Магнитная платформа все еще находится на заре своего развития. Сейчас команда пытается оптимизировать силу магнита и другие параметры, чтобы наилучшим образом стимулировать рост и функционирование мышц. Они также расширяют платформу для других типов клеток в тканевой инженерии и адаптируют гидрогелевой компонент с другими материалами для конкретных нужд биопроизводства.

Команда уверена, что наращивание мышечной массы – это только первый шаг. Мы думаем, что «эта платформа будет стимулировать широкий спектр фундаментальных и трансляционных исследований в области механобиологии, регенеративной медицины и биогибридной робототехники», — пишут они в исследовании.

Изображение предоставлено: Элла Марущенко

• SEO-контент и PR-распределение. Получите усиление сегодня.
• PlatoData.Network Вертикальный генеративный ИИ. Расширьте возможности себя. Доступ здесь.
• ПлатонАйСтрим. Интеллект Web3. Расширение знаний. Доступ здесь.
• ПлатонЭСГ. Углерод, чистые технологии, Энергия, Окружающая среда, Солнечная, Управление отходами. Доступ здесь.
• ПлатонЗдоровье. Биотехнологии и клинические исследования. Доступ здесь.
• Источник: https://singularityhub.com/2023/10/20/scientists-pump-up-lab-grown-muscles-for-robots-with-a-magnetic-workout/