Цивилизация
Японские ученые сделали еще один шаг к биофабрикации человеческих тканей и органов. Исследователи из Токийского университета сконструировали трехмерный фрагмент мышцы, который способен сокращаться под действием импульсов, приходящих по нервам. О своем достижении они написали в журнале Biomaterials.
Два составляющих элемента мышцы – пучки мышечных волокон, способных сокращаться в ответ на электрические импульсы, и нервы, которые подводят к ним эти импульсы. Мышечные волокна – это особые специализированные вытянутые в длину и многоядерные клетки. Центральную часть мышечного волокна занимают сократительные нити – миофибриллы, состоящие из белков актина и миозина.
Функциональной единицей мышцы является моторная единица, которая включает группу мышечных волокон и иннервирующий их мотонейрон. Место контакта нейрона и мышечного волокна – нервно-мышечный синапс, через который электрический импульс от нейрона попадает на мышцу. Это основной элемент, включающий мышечное сокращение.
Собственно, основное достижение японских биотехнологов заключается в выращивании функционального нервно-мышечного соединения.
Когда мышца развивается в организме, каждый мотонейрон образует около двух тысяч нервно-мышечных синапсов. В этих синапсах работает нейромедиатор ацетилхолин , который взаимодействует с ацетилхолиновыми рецепторами на мембране мышечной клетки.
Для выращивания мышцы исследователи культивировали стволовые клетки мыши – предшественники миоцитов – и нейральные стволовые клетки – предшественники нейронов.
Они наблюдали, как молодые мышечные клетки сливаются вместе, образуя многоядерные мышечные волокна. Некоторые клетки не выживали и умирали, собственно, как и происходит в естественных условиях. В процессе того, как мышечные волокна формировали пучки, исследователи фиксировали их концы на стекле, чтобы создать напряжение, необходимое для их нормального развития. Затем они добавляли к формирующимся пучкам мышечных волокон конгломераты из нейрональных стволовых клеток, которые дифференцировались в зрелые нейроны и отращивали длинные отростки – аксоны, направляя их к мышечным волокнам.
Изучив получившуюся трехмерную мышечную конструкцию, ученые обнаружили в ней сформировавшиеся нервно-мышечные синапсы, в которых располагались ацетилхолиновые рецепторы.
Мышца работала, реагируя на поступающие по нервам сигналам.
Мышечные волокна синхронно сокращались в одном направлении, так же как это происходит в организме.
Когда исследователи активировали нервы глутаматом, сокращение усилилось. Это означало наличие в выращенной мышце не только ацетилхолиновых, но и глутаматных рецепторов. А когда биоинженеры применили кураре – парализующий мышцы яд, – сократительная активность мышцы прекратилась.
Ученые из Токио не единственные, кто работает над биофабрикациией мышцы. Несколько иную технологию для выращивания мышечного конструкта использовали в Мичиганском университете.
Специалисты отмечают, что тонкости работы нервно-мышечного соединения в организме разных животных до сих пор остаются предметом дискуссий. Это не мешает биоинженерам повторить природу и попробовать вырастить функционально полноценную мышцу. Они сделали вывод, что используемая технология оказалась успешной для формирования нервно-мышечных соединений.
В будущем, вероятно, биоинженерную мышечную ткань можно будет использовать для трансплантации больным с разными формами мышечной дистрофии. Но до этого еще далеко, пока мышечный конструктор пригодится для тестирования на нем лекарственных средств. Другая область применения – человекоподобные роботы.