Mažos gyvos mašinos

Harvardo universiteto ketvirtame aukšte esančioje laboratorijoje Adamas Feinbergas žiūri pro mažo didinimo mikroskopą ir skalpeliu išpjauna trikampius ir stačiakampius iš plono polimero. Tai, ko neįmanoma pamatyti plika akimi, yra vienos ląstelės storio širdies audinio sluoksnis, dengiantis kiekvieną formą. Kai Feinbergas sujungia trikampius ir stačiakampius laikančią Petri lėkštelę su širdies stimuliatoriumi, audinys pradeda ritmiškai trauktis, o formos atgyja – sukasi, gnybsta ir net plaukia per tirpalą.

Širdies antspaudai : Adamas Feinbergas (kairėje), Harvardo doktorantas ir Kevinas Kit'as Parkeris, biomedicinos inžinerijos profesorius, iš žiurkės širdies audinio gamina mažas mašinėles.

Raumeningų plonų plėvelių gabalai yra vos kelių milimetrų ilgio ir tik 30 mikrometrų storio; iš pirmo žvilgsnio jie primena mažus kirminus, kuriuos galite rasti purvo baloje. Kevinas Kit Parker, biomedicinos inžinerijos profesorius, vadovaujantis Harvardo laboratorijai, juokauja, kad planuoja išeiti į pietus, kur buvo užaugęs, ir parduoti juos kaip pritaikomus masalus jaukų parduotuvėje.

Ši istorija buvo mūsų 2008 m. sausio mėn. numerio dalis

• Žr. likusią numerio dalį
• Prenumeruoti

Tačiau eksperimentas turi visiškai rimtų pasekmių. Galų gale, trūkčiojančio audinio lopai galėtų būti naudojami kaip mažyčių robotų prietaisų, implantuojamų į kūną, pavaros. Raumenų ląsteles maitina kraujyje esantis cukrus, o jas palaiko tie patys remonto mechanizmai, kurie palaiko širdies darbą. Parkeris teigia, kad raumenimis dengta plėvelė taip pat gali būti naudojama širdies priepuolių pažeistiems audiniams regeneruoti. Tačiau tokios programos yra gana toli, sako jis. Artimiausiu metu prietaisai galėtų būti naudojami siekiant padėti mokslininkams stebėti, kaip eksperimentiniai vaistai keičia širdies raumens elgesį.

Spausdinimo audinys
Tai ne pirmas kartas, kai mokslininkai lėkštelėje užaugina plakantį širdies raumenį. Tačiau Parkeris ir Feinbergas, Parkerio laboratorijos doktorantūros tyrėjas, rado būdų, kaip padaryti audinius daug galingesnius, susitraukiančius tokiu pat stiprumu kaip ir natūralus širdies audinys.

Multimedija

• Žiūrėkite filmą, kuriame paaiškinama, kaip tyrėjai kuria pavaras.

• Pamatykite, kaip širdies audinys plaka laiku naudodamiesi elektriniais signalais.

Prietaisų gamyba pradedama nuo biologinio spausdinimo technikos, kurią sukūrė Harvardo chemikai, kuri gali mikroskopiškai nusodinti baltymus ant įvairių paviršių. Parkeris ir Feinbergas naudoja šį metodą, kad tiksliai sutvarkytų širdies ląsteles į darbinį audinį.

Procesas atrodo nepastebimai. Dirbdamas steriliame laboratorijos gaubte, Feinbergas Petri lėkštelėje sudeda keletą skaidraus silikono gumos gabalėlių. Gabalai yra antspaudai, marginti mikroskopinėmis linijomis. Raštas buvo sukurtas lipdant antspaudus į silicio plokštelę, išgraviruotą tais pačiais būdais, kuriais gaminamos mikroschemos. Ant kiekvieno antspaudo Feinbergas išpurškia skaidraus rašalo, kuriame yra įprastas baltymas, vadinamas fibronektinu. Antspaudui džiūstant susidaro plonas baltymo sluoksnis. Laikydamas antspaudą žnyplėmis, Feinbergas prispaudžia jį ant apvalaus, silikonu dengto stiklo dengiamojo stiklelio, perkeldamas baltymus iš iškilusios mikroskopinio rašto dalies į silikoninę plėvelę.

Kai baltymų raštai yra išspausti ir paruošti, Feinbergas panardina dangtelį į jaunų, vis dar besivystančių širdies ląstelių, surinktų iš žiurkių, tirpalą. Ląstelės pradeda prilipti prie fibronektino, sudarydamos tvarkingas linijas. Tada Feinbergas įdeda ląsteles ir baltymais išmargintą dengiamąjį stiklelį, vis dar panardintą į tirpalą, į kūno temperatūros inkubatorių. Per kelias ateinančias dienas fibronektino linijos vadovauja ląstelių organizavimui ir tolesniam vystymuisi. Pradeda formuotis ilgi, skaiduliniai susitraukiantys vienetai, vadovaujami ląstelių, kad jie išsirikiuotų lygiagrečiai baltymų linijoms. Jei jos nebūtų taip išlygintos, ląstelės kovotų viena prieš kitą susitraukdamos, o ne traukdamos ta pačia kryptimi. Tačiau visos suderintos ląstelės susitraukia išilgai tos pačios ašies, panašiai kaip natūraliame širdies audinyje.

Kai Feinbergas iš inkubatoriaus išima naujai išaugusį audinį, jį ir silikono plėvelę, ant kurios jis yra atspausdintas, fiksuoja standus stiklinis dengiantis stiklas. Tačiau jiems atvėsus, temperatūrai jautrūs klijai, laikantys silikoną prie stiklo, pradeda tirpti. Feinbergas turi vos kelias minutes iškirpti formas, kol silikonas ir audinys išplauks laisvai. Tai padarius, širdies audinys gali susitraukti, todėl plėvelė, prie kurios jis pritvirtintas, pradeda lenktis ir suktis.

Iki šiol Feinbergas gamino elementarius siurblius, sukančias pavaras, žnyples, įrenginį, kuris lėtai plaukia, ir kitą, kuris vaikšto Petri lėkštelės dugnu. Ilga stačiakampė juostelė, iškirpta iš plėvelės taip, kad ląstelių linijos eitų išilgai kiekvieno susitraukimo. Kitas stačiakampis, iškirptas nedideliu kampu į ląsteles, susivynioja į kamščiatraukį. Siaura trikampio gabalo uodega išstumia formą per tirpalą. Šių prietaisų elgesį galima valdyti kaip natūralios širdies: su širdies stimuliatoriumi. Feinbergas prikabina elektros laidus prie mažo indo, kuriame laikomi įrenginiai. Žemos įtampos elektros pliūpsniai keliauja per tirpalą, signalizuojantys raumeniui susitraukti.

Raumenys nuo narkotikų
Praktinis būdas išmatuoti vaistų poveikį širdies audiniams yra nustatyti, kaip stipriai apdorotas audinys gali susitraukti. Taigi prietaisas, kuris greičiausiai bus naudingiausias per trumpą laiką, taip pat yra vienas iš paprasčiausių: ilga stačiakampė audinio juostelė, kuri šiek tiek pasilenkia su kiekvienu elektros impulsu. Šie prietaisai gali būti naudojami tiek vaistams, kurie veikia širdį, tiek identifikuoti vaistus, kurie gali neigiamai paveikti širdį.

Kadangi silikono mechaninės savybės yra gerai žinomos, galima tiksliai nustatyti, kokią jėgą veikia širdies audinys, matuojant juostelės lenkimą. Jei pastebimas ląstelių galimos jėgos pasikeitimas, tai ženklas, kad vaistas veikia. Parkeris numato mažų šulinių, kurių kiekviename yra silikono ir širdies raumens juostelė, testavimo sistemą. Tokia sistema galėtų būti naudojama matuojant skirtingų junginių arba skirtingų to paties junginio koncentracijų poveikį širdies audinio gebėjimui veikti. Sistema gali būti netgi automatizuota; Feinbergas jau sukūrė programinę įrangą, kuri analizuoja juostelių vaizdo įrašus ir apskaičiuoja audinių daromos jėgos pokyčius.

Iki šiol mokslininkai naudojo tik žiurkių ląsteles. Galiausiai jie tikisi sukurti atrankos įrankius su žmogaus ląstelėmis, galbūt pirmiausia išaugindami kamienines ląsteles, o paskui paskatindami jas išsivystyti į širdies ląsteles. Jie taip pat tikisi sukurti panašias sistemas su raumenų ląstelėmis, kurios iškloja kraujagysles, pavyzdžiui, tirti vaistus nuo hipertenzijos. Kitoms programoms prietaisai turės būti mažesni (implantuojamiems robotams) arba didesni (pleistrams, kurie padeda išgydyti pažeistas širdis).

Galiausiai technologijos raktas gali būti jos paprastumas, dėl kurio ją būtų lengva pritaikyti įvairioms programoms. Kaip sako Parkeris, šią technologiją sukūrėme neteisėtai, kad ją būtų lengva išmokti, lengva atlikti ir galiausiai ją būtų lengva pritaikyti klinikoje.

paslėpti