Tiny Living Machines

I et laboratorium på fjerde sal ved Harvard University kigger Adam Feinberg gennem et mikroskop med lav forstørrelse og bruger en skalpel til at skære trekanter og rektangler ud fra en tynd polymer. Hvad der er umuligt at se med det blotte øje, er et en-celle-tykt lag hjertevæv, der dækker hver form. Når Feinberg forbinder petriskålen, der holder trekanter og rektangler, til en pacemaker, begynder vævet at trække sig rytmisk sammen, og formerne bliver levende - vrider, klemmer og svømmer endda gennem en opløsning.

Hjerte Stempler : Adam Feinberg (til venstre), en postdoc ved Harvard, og Kevin Kit Parker, en professor i biomedicinsk teknik, laver bittesmå maskiner ud af rottehjertevæv.

Stykkerne af muskuløs tyndfilm er blot nogle få millimeter lange og kun 30 mikrometer tykke; ved første øjekast ligner de små orme, du måske kan finde vrikke i en mudderpøl. Kevin Kit Parker, professoren i biomedicinsk teknik, der leder Harvard-laboratoriet, joker med, at han planlægger at trække sig tilbage til Syden, hvor han er opvokset, og sælge dem som skræddersyede lokker i en lokkemadbutik.

Denne historie var en del af vores januar 2008-udgave

• Se resten af ​​problemet
• Abonner

Men eksperimentet har helt alvorlige konsekvenser. Til sidst kunne pletterne med trækninger af væv bruges som aktuatorer til bittesmå robotanordninger implanteret i kroppen. Muskelcellerne ville blive drevet af sukker i blodbanen og vedligeholdt af de samme reparationsmekanismer, som holder hjertet i gang. Parker siger, at den muskelbelagte film også kan bruges til at regenerere væv, der er beskadiget i hjerteanfald. Men sådanne ansøgninger er et godt stykke væk, siger han. På kortere sigt kunne apparaterne bruges til at hjælpe forskere med at overvåge, hvordan eksperimentel medicin ændrer hjertemuskulaturens adfærd.

Udskrivningsvæv
Det er ikke første gang, forskere har dyrket bankende hjertemuskler i en skål. Men Parker og Feinberg, en postdoc-forsker i Parkers laboratorium, har fundet måder at gøre vævene langt mere kraftfulde, idet de trækker sig sammen med samme styrke som naturligt hjertevæv.

Multimedier

• Se en film, der forklarer, hvordan forskere skaber aktuatorerne.

• Se hjertevæv slå i takt med elektriske signaler.

Fremstillingen af ​​enhederne begynder med en biologisk printteknik, udviklet af Harvard-kemikere, der kan afsætte proteiner i mikroskopiske mønstre på forskellige overflader. Parker og Feinberg bruger metoden til præcist at organisere hjertecellerne til arbejdende væv.

Processen ser umærkelig ud. Feinberg arbejder i en steril laboratoriehætte og arrangerer et par bidder af klar silikonegummi i en petriskål. Klumperne er stempler mønstret med en række mikroskopiske linjer. Mønsteret blev skabt ved at støbe stemplerne til en wafer af silicium, ætset ved hjælp af de samme teknikker, som producerer mikrochips. På hvert frimærke sprøjter Feinberg et klart blæk, der indeholder et almindeligt protein kaldet fibronectin. Efterhånden som frimærket tørrer, dannes et tyndt lag af proteinet. Feinberg holder et frimærke med en pincet og presser det på et rundt, silikonebelagt glasdækglas og overfører proteiner fra den hævede del af det mikroskopiske mønster til silikonefilmen.

Med proteinmønstrene udstemplet og klar nedsænker Feinberg dækglasset i en opløsning af unge, stadig udviklende hjerteceller høstet fra rotter. Cellerne begynder at klæbe til fibronectinet og danner ordnede linjer. Feinberg lægger derefter cellerne og det proteinmønstrede dækglas, stadig nedsænket i opløsningen, i en kropstemperatur-inkubator. I løbet af de næste par dage styrer linjerne af fibronectin cellernes organisation og videre udvikling. Lange, fiberlignende kontraktile enheder begynder at dannes, styret af cellerne, så de stiller op parallelt med proteinlinjerne. Hvis de ikke var justeret på denne måde, ville cellerne kæmpe mod hinanden, mens de trækker sig sammen i stedet for at trække i samme retning. De justerede celler trækker sig dog alle sammen langs den samme akse, meget som de gør i naturligt hjertevæv.

Når Feinberg fjerner det nyudvoksede væv fra inkubatoren, immobiliseres det og filmen af ​​silikone, det er trykt på, af det stive glasdækglas. Men efterhånden som de afkøles, begynder en temperaturfølsom lim, der holder silikonen til glasset, at opløses. Feinberg har kun et par minutter til at skære figurer ud, før silikonen og vævet flyder fri. Når de gør det, kan hjertevævet trække sig sammen, hvilket får filmen, som den er forankret til, til at begynde at bøje og vride sig.

Indtil videre har Feinberg lavet rudimentære pumper, vridende aktuatorer, tang, en enhed, der langsomt svømmer, og en anden, der går langs bunden af ​​en petriskål. En lang rektangulær strimmel, skåret fra filmen, så cellelinjerne løber langs dens længde, krøller sig sammen med hver sammentrækning. Et andet rektangel, skåret i en lille vinkel i forhold til cellerne, ruller op til en proptrækker. Den smalle hale af et trekantet stykke driver formen gennem opløsningen. Disse enheders adfærd kan styres som et naturligt hjertes: med en pacemaker. Feinberg kroger elektriske ledninger til den lille skål, der holder enhederne. Lavspændingsudbrud af elektricitet rejser gennem opløsningen og signalerer, at musklen trækker sig sammen.

Muskler på stoffer
En praktisk måde at måle virkningen af ​​lægemidler på hjertevæv er at bestemme, hvor stærkt behandlet væv kan trække sig sammen. Enheden, der sandsynligvis vil være mest anvendelig på kort sigt, er således også en af ​​de enkleste: en lang rektangulær strimmel af væv, der bøjes lidt med hver elektricitetsimpuls. Disse enheder kan bruges både til at screene lægemidler, der er beregnet til at virke på hjertet, og til at identificere lægemidler, der kan påvirke hjertet negativt.

Fordi silikonens mekaniske egenskaber er velkendte, er det muligt at bestemme præcis, hvor meget kraft hjertevævet udøver ved at måle, hvor meget strimlen bøjer. Hvis der observeres en ændring i mængden af ​​kraft, cellerne kan udøve, er det et tegn på, at et lægemiddel har en effekt. Parker forestiller sig et testsystem af små brønde, der hver indeholder en strimmel silikone og hjertemuskel. Et sådant system kunne bruges til at måle virkningerne af forskellige forbindelser, eller forskellige koncentrationer af den samme forbindelse, på hjertevævets evne til at fungere. Systemet kunne endda være automatiseret; Feinberg har allerede udviklet software, der analyserer video af strimlerne og beregner ændringer i mængden af ​​kraft, vævet udøver.

Hidtil har forskerne kun brugt rotteceller. Til sidst håber de på at lave screeningsværktøjer med menneskelige celler, måske ved først at dyrke stamceller og derefter lokke dem til at udvikle sig til hjerteceller. De håber også at lave lignende systemer med muskelceller, der beklæder blodkar - for at teste hypertensionsmedicin, for eksempel. Til andre applikationer skal enhederne enten gøres mindre (til implanterbare robotter) eller større (til plastre, der hjælper med at helbrede beskadigede hjerter).

I sidste ende kan nøglen til teknologien være dens enkelhed, som kan gøre den let at tilpasse til en række applikationer. Som Parker siger, har vi dummy-sikret denne teknologi, så den er nem at lære, nem at udføre og i sidste ende nem at implementere i klinikken.

skjule