研究者らは、科学者が運動の機械的影響を顕微鏡レベルで理解するのに役立つ細胞運動マットを設計 研究者らは、運動中に筋肉細胞が受ける機械的力をシミュレートできる磁石を含むゲルパッドを作成した。この新しい「エクササイズマット」は、筋肉損傷や神経筋疾患の患者の治療法をテストしたり、ソフトロボットに使用する人工筋肉を成長させたりするのに役立つ可能性がある。
人体の細胞は、特に運動中に、化学的、電気的、機械的信号の組み合わせを通じて通信します。研究室で製造された細胞では、細胞に損傷を与えることが多いため、本物のような機械的な細胞間の接触を実現するのは困難です。
MIT の研究者は、骨格筋細胞が運動中に受ける機械的衝撃をダメージのない方法でシミュレートする方法を開発しました。これは、細胞にとってのフィットネス マットのようなものだと考えてください。
「ここで、私たちは動きの2つの主要な要素、化学的要素と機械的要素を分離し、筋肉が純粋に動きの機械的な力にどのように反応するかを確認したかったのです」と研究の責任著者であるリトゥ・ラマン氏は述べた。
研究者らは、筋肉細胞が損傷を引き起こすことなく定期的かつ繰り返し機械的な力に耐えられるようにする方法として磁石に注目しました。研究者らは、市販の磁性ナノ粒子をゴム状シリコーン溶液と混合し、混合物をシート状に固め、非常に薄いストリップに切断した。私たちは、2 つのヒドロゲル層の間に挟まれた、わずかに広い間隔で配置された 4 本の磁気ロッドで構成されるプロトタイプのパッドを作成しました。
筋肉細胞をマットの表面に置くと、丸い細胞が徐々に伸びて隣の細胞と融合して繊維を形成します。研究者らはゲルパッドの下に外部磁石をトラック上に配置し、前後に動くようにプログラムした。ゲルに埋め込まれた磁石が動くことでゲルが振動し、実際の細胞の動きと同様の力が生じます。彼らは10日間、1日30分間細胞を「運動」させた。運動していない筋細胞のグループを対照として使用しました。
「その後、ゲルを拡大して写真を撮ったところ、機械的に刺激された細胞が対照細胞とは大きく異なって見えることがわかりました」とラマン氏は語った。
彼らは、運動した細胞がより長く成長し、同じ方向に並んだ繊維になることを発見した。対照的に、対照細胞は丸いままで、組織化されていない傾向がありました。通常の状況下では、筋細胞は神経からの電気インパルスに反応して収縮しますが、実験室条件下ではこれにより細胞が損傷される可能性があります。そこで研究者らは、青色光にさらされると細胞が縮小するように遺伝子操作を行った。
「筋肉に光を当てると、制御細胞が鼓動しているのがわかりますが、一部の線維はこちらに鼓動し、一部はあちらに鼓動しており、全体的に非常に非同期なけいれんを引き起こしています」とラマン氏は述べた。 「繊維が整列していると、同時に同じ方向に引っ張られ、叩かれます。」
研究者らは、この新しい「エクササイズジェル」は、筋線維を彫刻し、運動に対する反応を研究するための迅速かつ非侵襲的な方法として機能する可能性があり、それが筋肉損傷や神経筋疾患からの回復を助ける治療法につながる可能性があると述べている。彼らはまた、ゲル上で他の種類の細胞を増殖させ、「運動」に対する細胞の反応を研究することも計画している。
「生物学的証拠は、多くの種類の細胞が機械的刺激に反応することを示しています。これは相互作用を研究するための新しいツールです」とラマン氏は述べた。
この研究は『Devices』誌に掲載されました。