Małe żywe maszyny

W laboratorium na czwartym piętrze Uniwersytetu Harvarda Adam Feinberg spogląda przez mikroskop o niskim powiększeniu i za pomocą skalpela wycina trójkąty i prostokąty z cienkiego polimeru. To, czego nie można zobaczyć gołym okiem, to warstwa tkanki serca o grubości jednej komórki pokrywająca każdy kształt. Kiedy Feinberg podłącza szalkę Petriego z trójkątami i prostokątami do rozrusznika, tkanka zaczyna rytmicznie się kurczyć, a kształty ożywają – skręcając się, szczypiąc, a nawet przepływając przez roztwór.

Serce znaczki : Adam Feinberg (po lewej), stażysta na Harvardzie i Kevin Kit Parker, profesor inżynierii biomedycznej, robią malutkie maszyny z tkanki serca szczura.

Kawałki muskularnych cienkich warstw mają zaledwie kilka milimetrów długości i tylko 30 mikrometrów grubości; na pierwszy rzut oka przypominają małe robaki, które można znaleźć w kałuży błota. Kevin Kit Parker, profesor inżynierii biomedycznej, który kieruje laboratorium na Harvardzie, żartuje, że planuje udać się na emeryturę na południe, gdzie się wychował, i sprzedawać je jako konfigurowalne przynęty w sklepie z przynętami.

Ta historia była częścią naszego wydania ze stycznia 2008

• Zobacz resztę numeru
• Subskrybuj

Ale eksperyment ma całkowicie poważne implikacje. Ostatecznie płaty drgającej tkanki mogą zostać wykorzystane jako siłowniki dla małych urządzeń robotycznych wszczepianych w ciało. Komórki mięśniowe byłyby zasilane przez cukier w krwiobiegu i utrzymywane przez te same mechanizmy naprawcze, które podtrzymują pracę serca. Parker twierdzi, że powłoka pokryta mięśniami może być również wykorzystana do regeneracji tkanki uszkodzonej w wyniku zawału serca. Ale takie aplikacje są dość odległe, mówi. W bliższej perspektywie urządzenia mogą pomóc naukowcom monitorować, w jaki sposób eksperymentalne leki zmieniają zachowanie mięśnia sercowego.

Drukowanie Tkanki
To nie pierwszy raz, kiedy naukowcy wyhodowali mięsień sercowy w naczyniu. Ale Parker i Feinberg, badacz podoktorancki w laboratorium Parkera, znaleźli sposoby na zwiększenie mocy tkanek, które kurczą się z taką samą siłą, jak naturalna tkanka serca.

Multimedia

• Obejrzyj film wyjaśniający, jak naukowcy tworzą siłowniki.

• Zobacz bicie tkanki serca w rytm sygnałów elektrycznych.

Produkcja urządzeń rozpoczyna się od opracowanej przez chemików z Harvardu techniki druku biologicznego, która umożliwia osadzanie białek w mikroskopijnych wzorach na różnych powierzchniach. Parker i Feinberg wykorzystują tę metodę do precyzyjnego organizowania komórek serca w tkankę roboczą.

Proces wygląda nijako. Pracując w sterylnym laboratoryjnym kapturze, Feinberg układa kilka kawałków przezroczystej gumy silikonowej na szalce Petriego. Kawałki to stemple z szeregiem mikroskopijnych linii. Wzór powstał poprzez formowanie stempli w wafel krzemowy wytrawiony przy użyciu tych samych technik, które wytwarzają mikroczipy. Na każdy znaczek Feinberg spryskuje przezroczysty atrament, który zawiera powszechne białko zwane fibronektyną. Gdy stempel wysycha, tworzy się cienka warstwa białka. Trzymając znaczek za pomocą kleszczyków, Feinberg przyciska go do okrągłego, pokrytego silikonem szklanego szkiełka nakrywkowego, przenosząc białka z wypukłej części mikroskopijnego wzoru na silikonową folię.

Po wytłoczeniu i przygotowaniu wzorców białkowych Feinberg zanurza szkiełko nakrywkowe w roztworze młodych, wciąż rozwijających się komórek serca pobranych od szczurów. Komórki zaczynają przylegać do fibronektyny, tworząc uporządkowane linie. Feinberg następnie umieszcza komórki i szkiełko nakrywkowe o strukturze białka, wciąż zanurzone w roztworze, w inkubatorze do pomiaru temperatury ciała. W ciągu następnych kilku dni linie fibronektyny kierują organizacją i dalszym rozwojem komórek. Zaczynają się formować długie, podobne do włókien jednostki kurczliwe, prowadzone przez komórki tak, że układają się równolegle do linii białka. Gdyby nie były ustawione w ten sposób, komórki walczyłyby ze sobą, gdy się kurczą, zamiast ciągnąć w tym samym kierunku. Jednak wszystkie wyrównane komórki kurczą się wzdłuż tej samej osi, podobnie jak w naturalnej tkance serca.

Kiedy Feinberg usuwa nowo wyhodowaną tkankę z inkubatora, jest ona unieruchamiana wraz z warstwą silikonu, na której jest zadrukowana, za pomocą sztywnego szklanego szkiełka nakrywkowego. Ale gdy ostygną, wrażliwy na temperaturę klej, który utrzymuje silikon na szkle, zaczyna się rozpuszczać. Feinberg ma tylko kilka minut na wycięcie kształtów, zanim silikon i chusteczka odpłyną. Gdy to zrobią, tkanka serca może się kurczyć, powodując, że film, do którego jest zakotwiczony, zaczyna się wyginać i skręcać.

Do tej pory Feinberg wyprodukował podstawowe pompy, skręcane siłowniki, szczypce, urządzenie wolno pływające i inne, które porusza się po dnie szalki Petriego. Długi prostokątny pasek, wycięty z folii tak, aby linie komórek przebiegały wzdłuż jej długości, zwija się przy każdym skurczu. Kolejny prostokąt, przycięty pod niewielkim kątem do komórek, zwija się w korkociąg. Wąski ogon trójkątnego kawałka napędza kształt przez rozwiązanie. Zachowanie tych urządzeń można kontrolować jak naturalne serce: za pomocą rozrusznika serca. Feinberg podłącza przewody elektryczne do małej czaszy, w której znajdują się urządzenia. Przez roztwór przepływają impulsy prądu o niskim napięciu, sygnalizujące skurcz mięśni.

Mięśnie na narkotykach
Praktycznym sposobem pomiaru wpływu leków na tkankę serca jest określenie, jak silnie leczona tkanka może się kurczyć. Tak więc urządzenie, które może być najbardziej przydatne w krótkim okresie, jest również jednym z najprostszych: długi prostokątny pasek tkanki, który ugina się lekko przy każdym impulsie elektrycznym. Urządzenia te mogą być używane zarówno do badań przesiewowych leków, które mają działać na serce, jak i do identyfikacji leków, które mogą niekorzystnie wpływać na serce.

Ponieważ właściwości mechaniczne silikonu są dobrze znane, można dokładnie określić, jaką siłę wywiera tkanka serca, mierząc, jak bardzo pasek się wygina. Jeśli obserwuje się zmianę w sile, jaką mogą wywierać komórki, jest to znak, że lek działa. Parker przewiduje system testowania małych studzienek, z których każdy zawiera pasek silikonu i mięsień sercowy. Taki system można by wykorzystać do pomiaru wpływu różnych związków lub różnych stężeń tego samego związku na zdolność do funkcjonowania tkanki serca. System mógłby być nawet zautomatyzowany; Feinberg opracował już oprogramowanie, które analizuje wideo z pasków i oblicza zmiany siły wywieranej przez tkankę.

Do tej pory naukowcy wykorzystywali wyłącznie komórki szczura. W końcu mają nadzieję stworzyć narzędzia do badań przesiewowych z ludzkimi komórkami, być może najpierw wyhodując komórki macierzyste, a następnie nakłaniając je do przekształcenia się w komórki serca. Mają również nadzieję, że uda im się stworzyć podobne systemy z komórkami mięśniowymi wyścielającymi naczynia krwionośne – na przykład w celu testowania leków na nadciśnienie. W przypadku innych zastosowań urządzenia będą musiały być mniejsze (w przypadku wszczepianych robotów) lub większe (w przypadku plastrów, które pomagają leczyć uszkodzone serca).

Ostatecznie kluczem do technologii może być jej prostota, która może ułatwić dostosowanie do szeregu zastosowań. Jak mówi Parker, sprawdziliśmy tę technologię, aby była łatwa do nauczenia, łatwa do wykonania i ostatecznie łatwa do wdrożenia w klinice.

ukryć