Tiny Living Machines

I ett labb på fjärde våningen vid Harvard University tittar Adam Feinberg genom ett mikroskop med låg förstoring och använder en skalpell för att skära ut trianglar och rektanglar från en tunn polymer. Det som är omöjligt att se med blotta ögat är ett encellstjockt lager av hjärtvävnad som täcker varje form. När Feinberg kopplar petriskålen som håller trianglarna och rektanglarna till en pacemaker, börjar vävnaden att dra ihop sig rytmiskt och formerna blir levande – vrider sig, nyper och till och med simmar genom en lösning.

Hjärtstämplar : Adam Feinberg (till vänster), en postdoc vid Harvard, och Kevin Kit Parker, en professor i biomedicinsk teknik, tillverkar små maskiner av råtthjärtvävnad.

Bitarna av muskulösa tunna filmer är bara några millimeter långa och bara 30 mikrometer tjocka; vid första anblicken liknar de små maskar som du kan hitta som vickar i en lerpöl. Kevin Kit Parker, professorn i biomedicinsk teknik som leder Harvard-labbet, skämtar om att han planerar att dra sig tillbaka till södern, där han växte upp, och sälja dem som anpassningsbara beten i en betesbutik.

Den här historien var en del av vårt januarinummer 2008

• Se resten av frågan
• Prenumerera

Men experimentet har helt allvarliga konsekvenser. Så småningom kunde fläckarna av ryckningar användas som manöverdon för små robotenheter som implanteras i kroppen. Muskelcellerna skulle drivas av socker i blodomloppet och underhållas av samma reparationsmekanismer som håller hjärtat att pumpa. Parker säger att den muskelbelagda filmen också kan användas för att regenerera vävnad som skadats i hjärtinfarkt. Men sådana ansökningar är ganska långt borta, säger han. På kortare sikt kan enheterna användas för att hjälpa forskare att övervaka hur experimentella läkemedel förändrar hjärtmuskelns beteende.

Tryckpapper
Det är inte första gången som forskare har odlat hjärtmuskeln i en maträtt. Men Parker och Feinberg, en postdoktor i Parkers labb, har hittat sätt att göra vävnaderna mycket kraftfullare och dra ihop sig med samma styrka som naturlig hjärtvävnad.

Multimedia

• Se en film som förklarar hur forskare skapar ställdonen.

• Se hjärtvävnaden slå i takt med elektriska signaler.

Tillverkningen av enheterna börjar med en biologisk tryckteknik, utvecklad av Harvard-kemister, som kan deponera proteiner i mikroskopiska mönster på olika ytor. Parker och Feinberg använder metoden för att exakt organisera hjärtcellerna till fungerande vävnad.

Processen ser omärklig ut. Feinberg arbetar i en steril laboratoriehuv och arrangerar några bitar av klart silikongummi i en petriskål. Bitarna är stämplar mönstrade med en rad mikroskopiska linjer. Mönstret skapades genom att gjuta stämplarna till en oblat av kisel etsat med samma teknik som producerar mikrochips. På varje stämpel sprutar Feinberg ett klart bläck som innehåller ett vanligt protein som kallas fibronektin. När stämpeln torkar bildas ett tunt lager av proteinet. Håller en stämpel med en pincett, trycker Feinberg den på ett runt, silikonbelagt glastäckglas och överför proteiner från den upphöjda delen av det mikroskopiska mönstret till silikonfilmen.

Med proteinmönstren stämplade och klara, nedsänker Feinberg täckglaset i en lösning av unga, fortfarande utvecklande hjärtceller skördade från råttor. Cellerna börjar fästa vid fibronektinet och bildar ordnade linjer. Feinberg lägger sedan cellerna och det proteinmönstrade täckglaset, fortfarande nedsänkt i lösningen, i en kroppstemperaturinkubator. Under de närmaste dagarna styr linjerna av fibronektin cellernas organisation och vidareutveckling. Långa, fiberliknande kontraktila enheter börjar bildas, styrda av cellerna så att de radas upp parallellt med proteinlinjerna. Om de inte var inriktade på det här sättet skulle cellerna slåss mot varandra när de drar ihop sig istället för att dra åt samma håll. De inriktade cellerna drar sig dock alla samman längs samma axel, ungefär som de gör i naturlig hjärtvävnad.

När Feinberg tar bort den nyväxta vävnaden från inkubatorn, immobiliseras den och silikonfilmen som den är tryckt på av det styva täckglaset. Men när de svalnar börjar ett temperaturkänsligt lim som håller silikonet mot glaset att lösas upp. Feinberg har bara några minuter på sig att skära ut former innan silikonet och vävnaden flyter fritt. När de väl gör det kan hjärtvävnaden dra ihop sig, vilket gör att filmen som den är förankrad till börjar böjas och vridas.

Hittills har Feinberg gjort rudimentära pumpar, vridande ställdon, tång, en anordning som långsamt simmar och en annan som går längs botten av en petriskål. En lång rektangulär remsa, skuren från filmen så att celllinjerna löper längs dess längd, krullar ihop sig med varje sammandragning. En annan rektangel, skuren i en liten vinkel mot cellerna, rullar ihop sig till en korkskruv. Den smala svansen på en triangulär bit driver formen genom lösningen. Beteendet hos dessa enheter kan kontrolleras som för ett naturligt hjärta: med en pacemaker. Feinberg hakar elektriska ledningar till den lilla skålen som håller enheterna. Lågspänningsskurar av elektricitet går genom lösningen och signalerar att muskeln drar ihop sig.

Muskler på droger
Ett praktiskt sätt att mäta effekten av läkemedel på hjärtvävnaden är att fastställa hur starkt behandlad vävnad kan dra ihop sig. Således är enheten som sannolikt kommer att vara mest användbar på kort sikt också en av de enklaste: en lång rektangulär remsa av vävnad som böjer sig något med varje elektricitetspuls. Dessa enheter kan användas både för att screena läkemedel som är avsedda att verka på hjärtat och för att identifiera läkemedel som kan påverka hjärtat negativt.

Eftersom de mekaniska egenskaperna hos silikon är välkända, är det möjligt att bestämma exakt hur mycket kraft hjärtvävnaden utövar genom att mäta hur mycket remsan böjer sig. Om en förändring observeras i mängden kraft som cellerna kan utöva är det ett tecken på att ett läkemedel har effekt. Parker tänker sig ett testsystem med små brunnar, som var och en innehåller en remsa av silikon och hjärtmuskel. Ett sådant system skulle kunna användas för att mäta effekterna av olika föreningar, eller olika koncentrationer av samma förening, på hjärtvävnadens förmåga att fungera. Systemet skulle till och med kunna automatiseras; Feinberg har redan utvecklat mjukvara som analyserar video av remsorna och beräknar förändringar i mängden kraft som vävnaden utövar.

Hittills har forskarna endast använt råttceller. Så småningom hoppas de kunna göra screeningverktyg med mänskliga celler, kanske genom att först odla stamceller och sedan få dem att utvecklas till hjärtceller. De hoppas också kunna göra liknande system med muskelceller som kantar blodkärlen - för att testa läkemedel mot högt blodtryck, till exempel. För andra applikationer måste enheterna göras antingen mindre (för implanterbara robotar) eller större (för plåster som hjälper till att läka skadade hjärtan).

Nyckeln till tekniken kan i slutändan vara dess enkelhet, vilket kan göra det enkelt att anpassa sig till en rad applikationer. Som Parker säger, vi har dummysäkrat den här tekniken så att den är lätt att lära sig, lätt att göra och så småningom lätt att implementera på kliniken.

Dölj