Tiny Living Machines

V laboratoři ve čtvrtém patře na Harvardské univerzitě se Adam Feinberg dívá přes mikroskop s malým zvětšením a pomocí skalpelu vyřezává trojúhelníky a obdélníky z tenkého polymeru. Co není možné vidět pouhým okem, je vrstva srdeční tkáně o tloušťce jedné buňky pokrývající každý tvar. Když Feinberg připojí Petriho misku s trojúhelníky a obdélníky ke kardiostimulátoru, tkáň se začne rytmicky stahovat a tvary ožijí – kroucení, svírání a dokonce proplouvání roztokem.

Srdeční razítka : Adam Feinberg (vlevo), postdoktorand na Harvardu, a Kevin Kit Parker, profesor biomedicínského inženýrství, vyrábějí drobné stroje z krysí srdeční tkáně.

Kousky svalové tenké vrstvy jsou jen několik milimetrů dlouhé a pouze 30 mikrometrů tlusté; na první pohled připomínají malé červíky, které byste mohli najít vrtět se v louži bahna. Kevin Kit Parker, profesor biomedicínského inženýrství, který vede harvardskou laboratoř, žertuje, že se chystá odejít na jih, kde vyrostl, a prodávat je jako přizpůsobitelné návnady v obchodě s návnadami.

Tento příběh byl součástí našeho vydání z ledna 2008

• Viz zbytek čísla
• předplatit

Ale experiment má zcela vážné důsledky. Nakonec by náplasti škubavé tkáně mohly být použity jako ovladače pro malá robotická zařízení implantovaná do těla. Svalové buňky by byly poháněny cukrem v krevním řečišti a udržovány stejnými opravnými mechanismy, které udržují srdce v pumpě. Parker říká, že film potažený svalem by mohl být také použit k regeneraci tkáně poškozené při infarktu. Ale takové aplikace jsou podle něj docela daleko. V bližším horizontu by zařízení mohla být použita k tomu, aby pomohla výzkumníkům sledovat, jak experimentální léky mění chování srdečního svalu.

Tiskací papír
Není to poprvé, co vědcům narostlo bušení srdečního svalu v misce. Ale Parker a Feinberg, postdoktorandský výzkumník v Parkerově laboratoři, našli způsoby, jak učinit tkáně mnohem silnějšími, kontrahovat se stejnou silou jako přirozená srdeční tkáň.

Multimédia

• Podívejte se na film vysvětlující, jak výzkumníci vytvářejí akční členy.

• Sledujte tlukot srdeční tkáně v čase pomocí elektrických signálů.

Výroba zařízení začíná biologickou tiskovou technikou vyvinutou harvardskými chemiky, která dokáže ukládat proteiny v mikroskopických vzorech na různé povrchy. Parker a Feinberg používají metodu k přesné organizaci srdečních buněk do pracovní tkáně.

Proces vypadá nenápadně. Feinberg pracuje ve sterilní laboratorní digestoři a naaranžuje několik kousků čirého silikonového kaučuku do Petriho misky. Kousky jsou razítka vzorovaná řadou mikroskopických čar. Vzor byl vytvořen lisováním razítek na plátek křemíku vyleptaného za použití stejných technik, které vyrábějí mikročipy. Na každé razítko Feinberg stříká čirý inkoust, který obsahuje běžný protein zvaný fibronektin. Jak razítko zasychá, vytvoří se tenká vrstva proteinu. Feinberg drží razítko pomocí pinzety a přitiskne ho na kulaté, silikonem potažené skleněné krycí sklíčko, čímž přenese proteiny z vyvýšené části mikroskopického vzoru na silikonový film.

S vyraženými a připravenými proteinovými vzory ponoří Feinberg krycí sklíčko do roztoku mladých, stále se vyvíjejících srdečních buněk získaných z krys. Buňky začnou adherovat k fibronektinu a tvoří uspořádané linie. Feinberg poté vloží buňky a krycí sklíčko s proteinovým vzorem, stále ponořené v roztoku, do inkubátoru s tělesnou teplotou. Během několika příštích dnů vedou linie fibronektinu organizaci buněk a další vývoj. Začnou se tvořit dlouhé kontraktilní jednotky podobné vláknům, vedené buňkami tak, aby se seřadily paralelně s liniemi proteinu. Pokud by nebyly zarovnány tímto způsobem, buňky by proti sobě bojovaly, protože by se stahovaly, spíše než aby táhly stejným směrem. Zarovnané buňky se však všechny stahují podél stejné osy, podobně jako v přirozené srdeční tkáni.

Když Feinberg vyjme nově vyrostlou tkáň z inkubátoru, ona a silikonový film, na který je natištěna, jsou znehybněny pevným krycím sklem. Ale jak se ochladí, lepidlo citlivé na teplotu, které drží silikon na skle, se začne rozpouštět. Feinberg má jen pár minut na to, aby vyřízl tvary, než se silikon a tkáň uvolní. Jakmile tak učiní, srdeční tkáň se může stáhnout, čímž se film, ke kterému je ukotvena, začne ohýbat a kroutit.

Feinberg dosud vyrobil základní pumpy, otočné ovladače, kleště, zařízení, které pomalu plave, a další, které se pohybuje po dně Petriho misky. Dlouhý obdélníkový proužek, vystřižený z fólie tak, aby linie buněk probíhaly po jeho délce, se při každé kontrakci stočí. Další obdélník, vyříznutý v mírném úhlu k buňkám, se stočí do vývrtky. Úzký ocas trojúhelníkového kusu pohání tvar řešením. Chování těchto zařízení lze ovládat jako u přirozeného srdce: pomocí kardiostimulátoru. Feinberg zavěsí elektrické kabely k malé misce, která drží zařízení. Nízkonapěťové výboje elektřiny procházejí roztokem a signalizují svalové kontrakci.

Svaly na drogách
Praktickým způsobem, jak měřit účinek léků na srdeční tkáň, je určit, jak silně se může ošetřená tkáň stahovat. Zařízení, které bude pravděpodobně nejužitečnější v krátkodobém horizontu, je tedy také jedno z nejjednodušších: dlouhý obdélníkový pás tkáně, který se mírně ohýbá s každým pulzem elektřiny. Tato zařízení by mohla být použita jak ke screeningu léků určených k působení na srdce, tak k identifikaci léků, které mohou srdce nepříznivě ovlivnit.

Protože mechanické vlastnosti silikonu jsou dobře známé, je možné přesně určit, jakou silou působí srdeční tkáň měřením ohybu proužku. Pokud je pozorována změna v množství síly, kterou mohou buňky vyvinout, je to známka toho, že lék má účinek. Parker si představuje testovací systém malých jamek, z nichž každá obsahuje proužek silikonu a srdeční sval. Takový systém by mohl být použit k měření účinků různých sloučenin nebo různých koncentrací stejné sloučeniny na schopnost srdeční tkáně fungovat. Systém by mohl být dokonce automatizován; Feinberg již vyvinul software, který analyzuje video proužků a vypočítává změny ve velikosti síly, kterou tkáň vyvíjí.

Vědci zatím používali pouze krysí buňky. Nakonec doufají, že vyrobí screeningové nástroje s lidskými buňkami, možná tak, že nejprve vypěstují kmenové buňky a pak je přemluví, aby se vyvinuly do srdečních buněk. Doufají také, že vytvoří podobné systémy se svalovými buňkami, které lemují krevní cévy – například pro testování léků na hypertenzi. Pro jiné aplikace budou muset být zařízení vyrobena buď menší (pro implantovatelné roboty), nebo větší (pro náplasti, které pomáhají léčit poškozená srdce).

Klíčem k této technologii může být nakonec její jednoduchost, která by mohla usnadnit adaptaci na řadu aplikací. Jak říká Parker, tuto technologii jsme fiktivně otestovali, aby se dala snadno naučit, snadno provádět a nakonec snadno nasadit na klinice.

skrýt