Сокращением искусственно выращенных мышц удалось управлять с помощью спинного мозга крысы.
Будущее рядом: роботы из биологических тканей

Разнообразие и безупречное устройство живых организмов всегда вдохновляли художников и инженеров. Сейчас робототехники копируют строение, способы передвижения и даже манеры поведения живых существ, так идеально сконструированных природой в ходе эволюции. Чтобы имитировать сложные моторные функции, задействованные при прыжках, плавании и беге, роботов собирают из пластичных материалов. Роботы из гидрогелей, мягких пластиков и металлов, вроде алюминия, двигаются плавно, могут захватывать предметы, преодолевать препятствия и перемещаться под водой.

Тем не менее, искусственные материалы пока не способны превзойти живые ткани в функциональности. Поэтому исследователи пытаются объединить свойства искусственных и биологических тканей в гибридных механических системах. Клетки сердечных и скелетных мышц уже опробованы в работе вне тела.

Ткани сердца обеспечивают ритмичные сокращения и не требуют внешних устройств для запуска движения. Но частота сокращений при этом меняется мало. Мышцы двигательного аппарата живых существ, напротив, обеспечивают широкий спектр движений. Гибриды инженерной мышечной ткани с живыми клетками способны постоянно сокращаться в течение 250 дней, но нуждаются во внешнем механизме управления. У позвоночных контроль за сокращением мышц обеспечивает нервная система: ствол мозга и спинной мозг.

Стимуляция инженерной мышечной ткани электрическими полями, химическими препаратами и светом не могут заменить слаженную работу нервной системы. Новая работа исследователей из Университета Иллинойса в Урбане-Шампейне демонстрирует гибридного биоробота, искусственными мышцами которого управляет настоящий спинной мозг крысы. Работа, опубликованная в журнале APL Bioengineering, показала, что в спинном мозге есть шаблоны сокращений, и участие ствола в регуляции движений не требуется.

Поперечное сечение спинного мозга крысы, на котором видны нейроны Поперечное сечение спинного мозга крысы, на котором видны нейроны

В экспериментах ученые извлекли спинной мозг из поясничного отдела позвоночника новорожденных крыс. К нейронам этой области прикрепляются мышцы задних конечностей. Мышечные ткани искусственно выращивали на столбчатых «сухожилиях» из полиэтиленгликоля (ПЭГ), напечатанном на 3D-принтере. Вокруг столбов высевали гель, состоящий из белков миобластов, предшественников мышечных клеток тела, и белков крови. На стадии развития искусственных мышц, которая соответствовала «возрасту» спинного мозга при естественном эмбриональном росте, мышцы соединили с нейронами извлеченного спинного мозга крысы.

Нейроны спинного мозга крысы, соединившиеся с искусственными мышцами Нейроны спинного мозга крысы, соединившиеся с искусственными мышцами

Через 7 дней после введения спинного мозга в выращенную мышечную ткань двигательные нейроны проросли в искусственные мышцы и начали проявлять электрическую активность, вызывая сокращения в мышцах. Спинной мозг воспроизвел деятельность периферической нервной системы по управлению двигательными функциями живого организма, находясь вне тела! Сокращения мышц были спонтанными. Чтобы вызвать сокращения в определенных мышцах, связанные с ними нейроны стимулировали глутаматом. Препарат с противоположными глутамату свойствами блокировал сокращения искусственных мышц. Комбинация препаратов позволила создать сложный рисунок движения биоробота с нужной амплитудой и в требуемой последовательности.

Способность наблюдать деятельность спинного мозга вне организма пригодится в медицинских исследованиях. Например, при изучении болезни Лу Герига, также известной как боковой амиотрофический склероз. Заболевание приводит к гибели нейронов и возможной потере двигательной функции. Замена мышц и тканей спинного мозга на гибридную систему, разработанную учеными, поможет отследить процессы взаимодействия больных нейронов со здоровыми тканями. Биоробот также пригодится в учебных операциях будущих хирургов и при разработке медицинских препаратов.