Tiny Living Machines

In een laboratorium op de vierde verdieping van de Harvard University tuurt Adam Feinberg door een microscoop met een lage vergroting en gebruikt hij een scalpel om driehoeken en rechthoeken uit een dun polymeer te snijden. Wat met het blote oog onmogelijk te zien is, is een één cel dikke laag hartweefsel die elke vorm bedekt. Wanneer Feinberg de petrischaal met de driehoeken en rechthoeken verbindt met een pacemaker, begint het weefsel ritmisch samen te trekken en komen de vormen tot leven - draaien, knijpen en zelfs zwemmen door een oplossing.

Hart Stempels : Adam Feinberg (links), een postdoc aan Harvard, en Kevin Kit Parker, een professor in biomedische technologie, maken kleine machines van hartweefsel van ratten.

De stukjes gespierde dunne films zijn slechts enkele millimeters lang en slechts 30 micrometer dik; op het eerste gezicht lijken ze op kleine wormen die je misschien in een modderplas aantreft. Kevin Kit Parker, de professor in biomedische technologie die aan het hoofd staat van het Harvard-lab, grapt dat hij van plan is met pensioen te gaan naar het zuiden, waar hij is opgegroeid, en ze te verkopen als aanpasbaar kunstaas in een aaswinkel.

Dit verhaal maakte deel uit van ons nummer van januari 2008

• Zie de rest van het nummer
• Abonneren

Maar het experiment heeft zeer ernstige implicaties. Uiteindelijk zouden de stukjes spierweefsel kunnen worden gebruikt als actuatoren voor kleine robotapparaten die in het lichaam worden geïmplanteerd. De spiercellen zouden worden gevoed door suiker in de bloedbaan en onderhouden door dezelfde reparatiemechanismen die het hart aan het pompen houden. Parker zegt dat de met spieren beklede film ook kan worden gebruikt om weefsel te regenereren dat is beschadigd bij hartaanvallen. Maar zulke toepassingen zijn nog ver weg, zegt hij. Op kortere termijn kunnen de apparaten worden gebruikt om onderzoekers te helpen volgen hoe experimentele medicijnen het gedrag van de hartspier veranderen.

Weefsel afdrukken
Dit is niet de eerste keer dat onderzoekers een kloppende hartspier in een gerecht laten groeien. Maar Parker en Feinberg, een postdoctoraal onderzoeker in het laboratorium van Parker, hebben manieren gevonden om de weefsels veel krachtiger te maken en samen te trekken met dezelfde kracht als natuurlijk hartweefsel.

multimedia

• Bekijk een filmpje waarin wordt uitgelegd hoe onderzoekers de actuatoren maken.

• Zie hartweefsel op tijd kloppen met elektrische signalen.

De fabricage van de apparaten begint met een biologische printtechniek, ontwikkeld door chemici van Harvard, die eiwitten in microscopisch kleine patronen op verschillende oppervlakken kan afzetten. Parker en Feinberg gebruiken de methode om de hartcellen nauwkeurig te organiseren in werkend weefsel.

Het proces ziet er onopvallend uit. Feinberg werkt in een steriele laboratoriumkap en schikt een paar brokken helder siliconenrubber in een petrischaal. De chunks zijn stempels met een patroon van microscopisch kleine lijnen. Het patroon is gemaakt door de stempels te vormen tot een plak silicium die is geëtst met dezelfde technieken die microchips produceren. Op elke postzegel spuit Feinberg een heldere inkt die een veel voorkomend eiwit bevat, fibronectine genaamd. Terwijl de stempel droogt, vormt zich een dunne laag van het eiwit. Feinberg houdt een stempel vast met een pincet en drukt het op een ronde, met siliconen gecoate glazen dekglaasje aan, waarbij eiwitten van het verhoogde gedeelte van het microscopische patroon naar de siliconenfilm worden overgebracht.

Met de eiwitpatronen uitgestanst en klaar, dompelt Feinberg het dekglaasje onder in een oplossing van jonge, zich nog ontwikkelende hartcellen die zijn geoogst van ratten. De cellen beginnen zich aan het fibronectine te hechten en vormen ordelijke lijnen. Feinberg plaatst vervolgens de cellen en het dekglaasje met eiwitpatroon, nog steeds ondergedompeld in de oplossing, in een incubator op lichaamstemperatuur. De komende dagen leiden de lijnen van fibronectine de organisatie en verdere ontwikkeling van de cellen. Er beginnen zich lange, vezelachtige samentrekkende eenheden te vormen, geleid door de cellen zodat ze evenwijdig aan de eiwitlijnen komen te liggen. Als ze niet op deze manier waren uitgelijnd, zouden de cellen tegen elkaar vechten terwijl ze samentrekken in plaats van in dezelfde richting te trekken. De uitgelijnde cellen trekken echter allemaal samen langs dezelfde as, ongeveer zoals ze dat doen in natuurlijk hartweefsel.

Wanneer Feinberg het nieuw gegroeide weefsel uit de incubator verwijdert, worden het en de siliconenfilm waarop het is afgedrukt, geïmmobiliseerd door het stijve glazen dekglaasje. Maar terwijl ze afkoelen, begint een temperatuurgevoelige lijm die de siliconen op het glas houdt op te lossen. Feinberg heeft slechts een paar minuten om vormen uit te snijden voordat de siliconen en het weefsel vrijkomen. Zodra ze dat doen, kan het hartweefsel samentrekken, waardoor de film waaraan het is verankerd begint te buigen en te draaien.

Tot nu toe heeft Feinberg rudimentaire pompen gemaakt, draaiende actuatoren, tangen, een apparaat dat langzaam zwemt en een ander dat langs de bodem van een petrischaal loopt. Een lange rechthoekige strook, zo uit de film gesneden dat de cellijnen over de lengte lopen, krult bij elke samentrekking op. Een andere rechthoek, onder een kleine hoek met de cellen gesneden, rolt op tot een kurkentrekker. De smalle staart van een driehoekig stuk stuwt de vorm door de oplossing. Het gedrag van deze apparaten kan worden aangestuurd als dat van een natuurlijk hart: met een pacemaker. Feinberg haakt elektrische snoeren aan de kleine schotel met de apparaten. Laagspannings-uitbarstingen van elektriciteit reizen door de oplossing en signaleren de spier om samen te trekken.

Spieren op drugs
Een praktische manier om het effect van medicijnen op hartweefsel te meten, is te bepalen hoe sterk behandeld weefsel kan samentrekken. Het apparaat dat op korte termijn waarschijnlijk het meest nuttig zal zijn, is dus ook een van de eenvoudigste: een lange rechthoekige strook weefsel die bij elke elektrische puls lichtjes buigt. Deze apparaten kunnen zowel worden gebruikt om geneesmiddelen te screenen die bedoeld zijn om op het hart in te werken, als om geneesmiddelen te identificeren die het hart nadelig kunnen beïnvloeden.

Omdat de mechanische eigenschappen van siliconen goed bekend zijn, is het mogelijk om precies te bepalen hoeveel kracht het hartweefsel uitoefent door te meten hoeveel de strip buigt. Als er een verandering wordt waargenomen in de hoeveelheid kracht die de cellen kunnen uitoefenen, is dit een teken dat een medicijn effect heeft. Parker stelt zich een testsysteem voor van kleine putjes, die elk een strook siliconen en hartspier bevatten. Een dergelijk systeem zou kunnen worden gebruikt om de effecten te meten van verschillende verbindingen, of verschillende concentraties van dezelfde verbinding, op het vermogen van het hartweefsel om te functioneren. Het systeem zou zelfs geautomatiseerd kunnen worden; Feinberg heeft al software ontwikkeld die video van de strips analyseert en veranderingen berekent in de hoeveelheid kracht die het weefsel uitoefent.

Tot nu toe hebben de onderzoekers alleen rattencellen gebruikt. Uiteindelijk hopen ze screeningtools te maken met menselijke cellen, misschien door eerst stamcellen te laten groeien en ze vervolgens te laten ontwikkelen tot hartcellen. Ze hopen ook soortgelijke systemen te maken met spiercellen die bloedvaten bekleden, bijvoorbeeld om medicijnen tegen hypertensie te testen. Voor andere toepassingen zullen de apparaten kleiner (voor implanteerbare robots) of groter (voor patches die helpen bij het genezen van beschadigde harten) gemaakt moeten worden.

Uiteindelijk kan de sleutel tot de technologie zijn eenvoud zijn, waardoor het gemakkelijk kan worden aangepast aan een reeks toepassingen. Zoals Parker zegt: we hebben deze technologie dummy-proof gemaakt, zodat het gemakkelijk te leren, gemakkelijk uit te voeren en uiteindelijk gemakkelijk te implementeren is in de kliniek.

zich verstoppen