Forscher entwerfen eine zelluläre Trainingsmatte, die Wissenschaftlern helfen könnte, die mechanischen Auswirkungen von Training auf mikroskopischer Ebene zu verstehen. Forscher haben ein Gelpad mit Magneten entwickelt, das die mechanischen Kräfte simulieren kann, denen Muskelzellen während des Trainings ausgesetzt sind. Diese neuartige „Übungsmatte“ könnte zum Testen von Behandlungen bei Patienten mit Muskelverletzungen und neuromuskulären Erkrankungen oder zum Züchten künstlicher Muskeln für den Einsatz in Softrobotern nützlich sein.
Im menschlichen Körper kommunizieren Zellen durch eine Kombination aus chemischen, elektrischen und mechanischen Signalen, insbesondere während des Trainings. Bei im Labor hergestellten Zellen kann es schwierig sein, lebensechte mechanische Zell-Zell-Kontakte herzustellen, da dies häufig zu Schäden an den Zellen führt.
MIT-Forscher haben eine schadensfreie Möglichkeit entwickelt, die mechanischen Stöße zu simulieren, denen Skelettmuskelzellen während des Trainings ausgesetzt sind – stellen Sie sich das wie eine Fitnessmatte für die Zellen vor.
„Hier wollten wir die beiden Hauptfaktoren der Bewegung – chemische und mechanische – trennen und sehen, wie die Muskeln rein auf die mechanischen Kräfte der Bewegung reagieren“, sagte Ritu Raman, korrespondierende Autorin der Studie.
Forscher betrachteten Magnete als eine Möglichkeit, Muskelzellen in die Lage zu versetzen, regelmäßig und wiederholt mechanischer Kraft standzuhalten, ohne Schäden zu verursachen. Die Forscher mischten kommerziell erhältliche magnetische Nanopartikel mit einer gummiartigen Silikonlösung, verfestigten die Mischung dann zu Folien und schnitten sie in sehr dünne Streifen. Wir haben ein Prototyp-Pad gebaut, das aus vier etwas größeren Magnetstäben besteht, die zwischen zwei Schichten Hydrogel eingelegt sind.
Durch die Platzierung von Muskelzellen auf der Oberfläche der Matte verlängern sich die runden Zellen allmählich und verschmelzen mit benachbarten Zellen zu Fasern. Unter dem Gelpad platzierten die Forscher einen externen Magneten auf der Schiene und programmierten ihn so, dass er sich hin und her bewegte. Die im Gel eingebetteten Magnete bewegen sich, wodurch das Gel schwingt und Kräfte erzeugt, die denen bei der tatsächlichen Bewegung von Zellen ähneln. Sie „trainierten“ die Zellen 10 Tage lang 30 Minuten am Tag. Als Kontrolle diente eine Gruppe nicht beanspruchter Muskelzellen.
„Dann haben wir hineingezoomt und Fotos vom Gel gemacht und festgestellt, dass die mechanisch stimulierten Zellen ganz anders aussahen als die Kontrollzellen“, sagte Raman.
Sie fanden heraus, dass die beanspruchten Zellen länger wurden und Fasern bildeten, die in die gleiche Richtung ausgerichtet waren. Im Gegensatz dazu blieben Kontrollzellen tendenziell rund und unorganisiert. Unter normalen Umständen kontrahieren Muskelzellen als Reaktion auf elektrische Impulse von Nerven, unter Laborbedingungen kann dies jedoch zu Zellschäden führen. Deshalb haben die Forscher die Zellen gentechnisch so verändert, dass sie schrumpfen, wenn sie blauem Licht ausgesetzt werden.
„Wenn wir Licht auf einen Muskel richten, können Sie sehen, wie die Kontrollzellen schlagen, aber einige der Fasern schlagen in diese Richtung und andere in die andere, wodurch insgesamt ein sehr asynchrones Zucken entsteht“, sagte Raman. „Wenn die Fasern ausgerichtet sind, ziehen und schlagen sie gleichzeitig in die gleiche Richtung.“
Forscher sagen, dass das neue „Übungsgel“ als schnelle, nicht-invasive Möglichkeit dienen könnte, Muskelfasern zu formen und ihre Reaktion auf körperliche Betätigung zu untersuchen, was zu Behandlungen führen könnte, die Menschen bei der Genesung von Muskelverletzungen und neuromuskulären Erkrankungen helfen könnten. Sie planen auch, andere Zelltypen auf dem Gel zu züchten und deren Reaktion auf „Training“ zu untersuchen.
„Biologische Beweise zeigen, dass viele Zelltypen auf mechanische Reize reagieren. Dies ist ein neues Werkzeug zur Untersuchung von Wechselwirkungen“, sagte Raman.
Die Forschung wurde in der Zeitschrift Devices veröffentlicht.