Onderzoekers ontwerpen een cellulaire oefenmat die wetenschappers kan helpen de mechanische effecten van lichaamsbeweging op microscopisch niveau te begrijpen. Onderzoekers hebben een gelkussen gemaakt met daarin magneten die de mechanische krachten kunnen simuleren die spiercellen ervaren tijdens het sporten. Deze nieuwe 'oefenmat' zou nuttig kunnen zijn voor het testen van behandelingen bij patiënten met spierblessures en neuromusculaire ziekten, of voor het kweken van kunstmatige spieren voor gebruik in zachte robots.
In het menselijk lichaam communiceren cellen via een combinatie van chemische, elektrische en mechanische signalen, vooral tijdens inspanning. Het maken van levensechte mechanische cel-celcontacten kan moeilijk zijn voor in het laboratorium gemaakte cellen, omdat dit vaak schade aan de cellen veroorzaakt.
MIT-onderzoekers hebben een schadevrije manier gecreëerd om de mechanische impact te simuleren die skeletspiercellen ondergaan tijdens het sporten. Zie het als een fitnessmat voor de cellen.
"Hier wilden we de twee belangrijkste factoren van beweging scheiden - chemisch en mechanisch - en zien hoe de spieren puur reageren op de mechanische krachten van beweging", zegt Ritu Raman, corresponderende auteur van het onderzoek.
Onderzoekers keken naar magneten als een manier om spiercellen in staat te stellen regelmatig en herhaaldelijk mechanische krachten te weerstaan zonder schade te veroorzaken. De onderzoekers mengden in de handel verkrijgbare magnetische nanodeeltjes met een rubberachtige siliconenoplossing, stolden het mengsel vervolgens tot vellen en sneden ze in zeer dunne reepjes. We hebben een prototype-pad gebouwd dat bestaat uit vier magnetische staven die iets verder uit elkaar zijn geplaatst, ingeklemd tussen twee lagen hydrogel.
Door spiercellen op het oppervlak van de mat te plaatsen, worden de ronde cellen geleidelijk langer en versmelten ze met aangrenzende cellen om vezels te vormen. Onder het gelpad plaatsten de onderzoekers een externe magneet op de baan en programmeerden deze om heen en weer te bewegen. De magneten die in de gel zijn ingebed, bewegen, waardoor de gel oscilleert en krachten creëert die vergelijkbaar zijn met die bij daadwerkelijke beweging van cellen. Ze "oefenden" de cellen gedurende 30 minuten per dag gedurende 10 dagen. Een groep niet-geoefende spiercellen diende als controle.
"Vervolgens zoomden we in en namen foto's van de gel en ontdekten dat de mechanisch gestimuleerde cellen er heel anders uitzagen dan de controlecellen", zei Raman.
Ze ontdekten dat de uitgeoefende cellen langer groeiden en uitgroeiden tot vezels die in dezelfde richting waren uitgelijnd. Daarentegen bleven controlecellen rond en ongeorganiseerd. Onder normale omstandigheden trekken spiercellen samen als reactie op elektrische impulsen van zenuwen, maar onder laboratoriumomstandigheden kan dit de cellen beschadigen. Daarom hebben de onderzoekers de cellen genetisch gemanipuleerd om te krimpen bij blootstelling aan blauw licht.
"Als we een licht op een spier laten schijnen, kun je de controlecellen zien kloppen, maar sommige vezels kloppen op deze manier en andere op die manier, waardoor er in het algemeen een zeer asynchrone spiertrekking ontstaat," zei Raman. "Met vezels die op één lijn liggen, trekken en slaan ze tegelijkertijd in dezelfde richting."
Onderzoekers zeggen dat de nieuwe 'oefengel' zou kunnen dienen als een snelle, niet-invasieve manier om spiervezels vorm te geven en hun reactie op inspanning te bestuderen, wat zou kunnen leiden tot behandelingen om mensen te helpen herstellen van spierblessures en neuromusculaire ziekten. Ze zijn ook van plan andere soorten cellen op de gel te laten groeien en hun reactie op 'oefening' te bestuderen.
"Biologisch bewijs toont aan dat veel soorten cellen reageren op mechanische stimuli. Dit is een nieuw hulpmiddel voor het bestuderen van interacties", zei Raman.
Het onderzoek is gepubliceerd in het tijdschrift Devices.