Tiny Living Machines

Hārvardas universitātes ceturtā stāva laboratorijā Ādams Feinbergs skatās caur maza palielinājuma mikroskopu un izmanto skalpeli, lai no plāna polimēra izgrieztu trīsstūrus un taisnstūrus. Tas, ko nav iespējams redzēt ar neapbruņotu aci, ir vienas šūnas biezs sirds audu slānis, kas pārklāj katru formu. Kad Feinbergs savieno Petri trauciņu, kurā atrodas trijstūri un taisnstūri, ar elektrokardiostimulatoru, audi sāk ritmiski sarukt, un formas atdzīvojas – griežas, saspiežas un pat peld cauri šķīdumam.

Sirds zīmogi : Ādams Feinbergs (pa kreisi), pēcdoktors Hārvardā, un Kevins Kits Pārkers, biomedicīnas inženierijas profesors, no žurkas sirds audiem veido sīkas mašīnas.

Muskuļotu plānu plēvju gabali ir tikai dažus milimetrus gari un tikai 30 mikrometrus biezi; no pirmā acu uzmetiena tie atgādina mazus tārpus, kurus jūs varētu atrast dubļu peļķē. Kevins Kits Pārkers, biomedicīnas inženierijas profesors, kurš vada Hārvardas laboratoriju, joko, ka plāno doties pensijā uz dienvidiem, kur viņš ir audzis, un pārdot tos kā pielāgojamus mānekļus ēsmas veikalā.

Šis stāsts bija daļa no mūsu 2008. gada janvāra numura

• Skatiet pārējo izdevuma daļu
• Abonēt

Taču eksperimentam ir ļoti nopietnas sekas. Galu galā raustīšanās audu plankumus varētu izmantot kā izpildmehānismus sīkām robotizētām ierīcēm, kas implantētas ķermenī. Muskuļu šūnas tiktu darbinātas ar cukura daudzumu asinsritē, un tās uzturētu tie paši remonta mehānismi, kas nodrošina sirds sūknēšanu. Pārkers saka, ka ar muskuļiem pārklāto plēvi varētu izmantot arī sirdslēkmes bojāto audu atjaunošanai. Taču šādas lietojumprogrammas ir diezgan tālu, viņš saka. Tuvākajā laikā ierīces varētu izmantot, lai palīdzētu pētniekiem uzraudzīt, kā eksperimentālās zāles maina sirds muskuļa uzvedību.

Drukas salvete
Šī nav pirmā reize, kad pētnieki traukā izaudzējuši pukstošu sirds muskuli. Taču Pārkers un Feinbergs, pēcdoktorantūras pētnieks Pārkera laboratorijā, ir atraduši veidus, kā padarīt audus daudz spēcīgākus, saraujoties ar tādu pašu spēku kā dabiskie sirds audi.

Multivide

• Noskatieties filmu, kurā paskaidrots, kā pētnieki veido izpildmehānismus.

• Skatiet sirds audu sitienus laikā ar elektriskiem signāliem.

Ierīču ražošana sākas ar bioloģisko drukāšanas paņēmienu, ko izstrādājuši Hārvardas ķīmiķi, kas var nogulsnēt proteīnus mikroskopiskos veidos uz dažādām virsmām. Pārkers un Feinbergs izmanto metodi, lai precīzi sakārtotu sirds šūnas darba audos.

Process izskatās nenozīmīgs. Strādājot sterilā laboratorijas pārsegā, Feinbergs sakārto dažus caurspīdīgas silikona gumijas gabaliņus Petri trauciņā. Gabali ir zīmogi, kas veidoti ar daudzām mikroskopiskām līnijām. Raksts tika izveidots, veidojot zīmogus silīcija plāksnēs, kas iegravētas, izmantojot tās pašas metodes, ar kurām ražo mikroshēmas. Uz katra zīmoga Feinbergs izsmidzina caurspīdīgu tinti, kas satur kopīgu proteīnu, ko sauc par fibronektīnu. Zīmogam izžūstot, veidojas plāns proteīna slānis. Turot zīmogu ar knaiblēm, Feinbergs uzspiež to uz apaļa, ar silikonu pārklāta stikla pārklājuma, pārnesot proteīnus no mikroskopiskā raksta izvirzītās daļas uz silikona plēvi.

Kad proteīna raksti ir izspiesti un gatavi, Feinbergs iegremdē pārklājumu šķīdumā, kurā ir jaunas, joprojām attīstās sirds šūnas, kas iegūtas no žurkām. Šūnas sāk pievienoties fibronektīnam, veidojot sakārtotas līnijas. Pēc tam Feinbergs ievieto šūnas un proteīna raksta pārklājumu, kas joprojām ir iegremdēts šķīdumā, ķermeņa temperatūras inkubatorā. Nākamo dienu laikā fibronektīna līnijas vada šūnu organizāciju un turpmāko attīstību. Sāk veidoties garas, šķiedrām līdzīgas saraušanās vienības, ko vada šūnas, lai tās novietotu paralēli proteīna līnijām. Ja tās netiktu izlīdzinātas šādā veidā, šūnas cīnītos viena pret otru, jo tās saraujas, nevis velkas vienā virzienā. Tomēr visas sakārtotās šūnas saraujas pa vienu asi, līdzīgi kā dabiskajos sirds audos.

Kad Feinbergs no inkubatora izņem tikko izaudzētos audus, tos un silikona plēvi, uz kuras tā ir uzdrukāta, imobilizē stingrā stikla pārklājuma stikls. Bet tiem atdziestot, temperatūrai jutīgā līme, kas notur silikonu pie stikla, sāk šķīst. Feinbergam ir tikai dažas minūtes, lai izgrieztu formas, pirms silikons un salvetes izpeld brīvi. Kad tas notiek, sirds audi var sarauties, liekot plēvei, pie kuras tā ir piestiprināta, locīties un griezties.

Līdz šim Feinbergs ir izgatavojis elementārus sūkņus, griežamos izpildmehānismus, knaibles, ierīci, kas lēnām peld, un citu, kas staigā pa Petri trauciņa dibenu. Gara taisnstūrveida sloksne, kas izgriezta no plēves tā, lai šūnu līnijas šķērsotu tās garumā, saritinās ar katru kontrakciju. Vēl viens taisnstūris, kas izgriezts nelielā leņķī pret šūnām, saritinās korķviļķī. Trīsstūrveida gabala šaurā aste virza formu cauri šķīdumam. Šo ierīču darbību var kontrolēt kā dabiskas sirds darbību: ar elektrokardiostimulatoru. Feinbergs pievieno elektriskos vadus mazajam traukam, kurā atrodas ierīces. Zema sprieguma elektrības pārrāvumi iziet cauri šķīdumam, signalizējot muskuļiem, ka tas saraujas.

Muskuļi uz narkotikām
Praktisks veids, kā izmērīt zāļu ietekmi uz sirds audiem, ir noteikt, cik spēcīgi apstrādāti audi var sarauties. Tādējādi ierīce, kas, visticamāk, būs visnoderīgākā īstermiņā, ir arī viena no vienkāršākajām: gara taisnstūra audu sloksne, kas nedaudz izliecas ar katru elektrības impulsu. Šīs ierīces var izmantot gan, lai pārbaudītu zāles, kas iedarbojas uz sirdi, gan identificētu zāles, kas var negatīvi ietekmēt sirdi.

Tā kā silikona mehāniskās īpašības ir labi zināmas, ir iespējams precīzi noteikt, cik lielu spēku iedarbojas sirds audi, izmērot, cik stipri sloksne izliecas. Ja tiek novērotas izmaiņas spēka apjomā, ko šūnas var iedarbināt, tā ir pazīme, ka zāles iedarbojas. Pārkers paredz mazu aku testēšanas sistēmu, katrā no kurām ir silikona un sirds muskuļa sloksne. Šādu sistēmu varētu izmantot, lai izmērītu dažādu savienojumu vai viena un tā paša savienojuma dažādu koncentrāciju ietekmi uz sirds audu spēju darboties. Sistēmu varētu pat automatizēt; Feinbergs jau ir izstrādājis programmatūru, kas analizē sloksņu video un aprēķina izmaiņas audu iedarbībā.

Līdz šim pētnieki ir izmantojuši tikai žurku šūnas. Galu galā viņi cer izveidot skrīninga rīkus ar cilvēka šūnām, iespējams, vispirms audzējot cilmes šūnas un pēc tam pierunājot tās attīstīties par sirds šūnām. Viņi arī cer izveidot līdzīgas sistēmas ar muskuļu šūnām, kas izklāj asinsvadus, piemēram, lai pārbaudītu hipertensijas zāles. Citām lietojumprogrammām ierīces būs jāpadara vai nu mazākas (implantējamiem robotiem), vai lielākas (plāksteriem, kas palīdz izārstēt bojātas sirdis).

Galu galā tehnoloģijas atslēga var būt tās vienkāršība, kas varētu atvieglot pielāgošanos dažādiem lietojumiem. Kā saka Pārkers, mēs esam izturējuši šo tehnoloģiju, lai to būtu viegli apgūt, viegli izdarīt un galu galā viegli izvietot klīnikā.

paslēpties