Создана инженерная мышечная ткань

Изгиб сенсора (черный) в результате сокращения мышечных волокон. Фото Physorg

В деревянные или каменные ящики для мумифицированных останков усопших жрецы клали прекрасно иллюстрированные папирусы, получившие у египтологов жаргонное название «Книга мертвых». На самом деле их название переводится как «Изречения выхода в день», необходимые для преодоления всех опасностей потустороннего мира. Одной из них был суд могущественных богов – крокодила Собека и ибисоголового Тота (в честь которого – первый иероглиф в имени Тут-анх-Амона), соколоподобного Гора – сына Изиды и Осириса, а также Анубиса с головой собаки, который взвешивал извлеченное сердце умершего. Сердце считалось вместилищем души, поскольку жрецы не знали, что сердце «управляется» эмоциями, порождаемыми в мозге.

Наш мышечный мотор представляет собой совокупность многих тканей и клеточных типов, да и сама сердечная мышца сочетает в себе признаки гладкой и поперечно-полосатой мускулатуры. Добавьте к этому, что ее волокна образуют в местах соединения сложный «интерфейс» с сосцевидными выростами-ворсинами, получившими название вставочные, или интеркалярные диски. Даже это краткое упоминание говорит о чрезвычайной сложности строения мышцы сердца, которая поражается при инфаркте, или закупорки (infarcto переводится как «пробка») той или иной коронарной артерии. Можно упомянуть, что три четверти людей на планете погибает в результате сердечно-сосудистых заболеваний.

Врачи вот уже более полувека пытаются механически и фармакологически помочь жертвам инфаркта: проталкивают тромб с помощью зонда, растворяют выпавший в полости сосуда нерастворимый фибрин с помощью стрептокиназы, вставляют в полость сосуда пружинку – стент. Однако все это не «спасает» саму сердечную мышцу, участок которой омертвел в результате нарушения питания.

Решение проблемы не так давно виделось в использовании так называемых плюрипотентных клеток, «потомков» фибробластов кожи. К сожалению, полученные таким образом клетки плохо управляемы в плане получения из них именно мышечных клеток сердца.

Специалисты Гарварда, предложившие сердечный «орган»-на-чипе (organ-on-a-chip), такой глобальной задачи перед собой не ставили. По их мнению, микрофабрикация сердечной мышцы открывает новые перспективы тканевого биоинжиниринга. Чисто техническим преимуществом исследовательского подхода является возможность интегрирования встроенных сенсоров, «улавливающих» мышечное сокращение и сигнализирующих о нем.

В основе 3D-печати мышечных волокон лежит полностью автоматизированный и управляемый с помощью компьютера процесс быстрого производства произвольного количества нужной ткани. Сами ученые называют полученные ткани микрофизиологическими системами, учитывающими изменения клеток данного человека при тех или иных заболеваниях. Программируемый подход со встроенными сенсорами дает возможность быстро менять условия, существенно ускоряя и удешевляя сбор информации. Такой метод позволит во многом отказаться от дорогостоящих испытаний на животных. В Гарварде «делают» не только сердечную мышцу, но также ткань легких и почек, языка и кишечника.

Впрочем, не надо думать, что все просто и легко. Требования к чистоте производственных линий и помещений в данном случае выше, чем при создании электронных чипов. В Гарварде, в данном конкретном случае, удалось практически полностью исключить человека. Новый конвейер стал возможным благодаря новым «чернилам» для 3D-печати с использованием многих клеток. Это очень важно даже в таком «простом» случае, как сердечная мышца.

Исследователями было разработано шесть клеточных «чернил» и гибкие нитчатые сенсоры, меняющие свою кривизну в результате сокращения мышцы. Созданное таким образом сердце на чипе представляет на самом деле микрофизиологическое устройство, которое стало первой разработкой в плане получения интегрированных функциональных материалов – живых и неживых сенсоров. Новые чипы, по мнению их создателей, станут полностью функциональными инструментами для лекарственного скрининга и моделирования различных заболеваний.

Сам чип представляет собой плату со многими лунками, что позволяет одновременно изучать поведение разных тканевых «композитов». Ученые с помощью этого чипа проверили действие различных лекарств и долговременные изменения сократительной способности созданных ими мышечных волокон. Интегрированные рецепторы позволили проводить сбор данных о созревании волокон в онлайн-режиме. Также было проверено и действие различных токсинов.

Инженерную мышечную ткань авторы назвали анизотропной, то есть «неравномерно» проявляющей свои сократительные свойства, в результате чего происходит изгиб сенсорного рычажка. Важно то, что изменение кривизны пропорционально сократительному «стрессу» (сокращению) мышечной ткани. Для визуализации живых клеток использовалось иммуноокрашивание – использование антител к специфическим протеинам мышцы.

В далеком 1978 году в Калифорнии пионеры биотехнологии сообщили об успешной интеграции первого человеческого гена с геномом кишечной палочки. Вскоре за этим последовал первый интерферон, затем моноклональные антитела и манипулирование генами на уровне ДНК. Хочется надеяться, что сердечникам, благодаря биоинженерии, не придется ждать полвека избавления от той же аритмии и последствий инфаркта.