Исследователи из Университета Иллинойса в Урбане-Шампейне разработали крошечных ходячих «спиноботов», питаемых мышцами крысы и тканями спинного мозга на мягком, напечатанном на 3D-принтере гидрогелевом скелете. В то время как предыдущие поколения биологических роботов или биоботов могли двигаться вперед за счет простого сокращения мышц, интеграция спинного мозга дает им более естественный ритм ходьбы, сказала руководитель исследования Марта Джилетт, профессор клеточной биологии и биологии развития.
«Это начало направления к интерактивным биологическим устройствам, которые могут найти применение в нейрокомпьютинге и в восстановительной медицине», – сказал Джилетт.
Исследователи опубликовали свои выводы в журнале APL Bioengineering.
Чтобы сделать спиноботов, исследователи сначала напечатали крошечный скелет: две стойки для ног и гибкий «позвоночник», всего несколько миллиметров в поперечнике.
Затем они засеяли его мышечными клетками, которые превратились в мышечную ткань. Наконец, они интегрировали сегмент поясничного отдела спинного мозга крысы.
«Мы специально выбрали поясничный отдел спинного мозга, потому что предыдущие исследования показали, что в нем находятся цепи, контролирующие чередование левых и правых нижних конечностей во время ходьбы», – сказал аспирант Коллин Кауфман, первый автор статьи. "С инженерной точки зрения нейроны необходимы для управления все более сложными и скоординированными мышечными движениями. Самым серьезным препятствием для иннервации было то, что никто раньше не культивировал неповрежденный спинной мозг грызунов."
Исследователям пришлось разработать метод не только для извлечения неповрежденного спинного мозга и затем его культивирования, но и для интеграции его в биобота и культивирования мышечной и нервной ткани вместе – и делать это таким образом, чтобы нейроны формировали соединения с мышцей.
Исследователи наблюдали спонтанные сокращения мышц у спиноботов, сигнализируя о том, что сформировались желаемые нервно-мышечные соединения и два типа клеток обмениваются данными. Чтобы убедиться, что спинной мозг функционирует должным образом, чтобы способствовать ходьбе, исследователи добавили глутамат, нейромедиатор, который побуждает нервы сигнализировать мышцам о сокращении.
Глутамат заставляет мышцы сокращаться, а ноги двигаться в естественном ритме ходьбы. Когда глутамат был смыт, спиноботы перестали ходить.
Затем исследователи планируют усовершенствовать движения спиноботов, сделав их походки более естественными. Исследователи надеются, что эта мелкомасштабная интеграция спинного мозга является первым шагом к созданию in vitro моделей периферической нервной системы, которые трудно изучать на живых пациентах или моделях животных.
«Развитие периферической нервной системы in vitro – спинного мозга, отростков и иннервируемых мышц – может позволить исследователям изучать нейродегенеративные заболевания, такие как БАС, в режиме реального времени с большей легкостью доступа ко всем затронутым компонентам», – сказал Кауфман. «Существует также множество способов использования этой технологии в качестве инструмента для хирургического обучения, от использования в качестве практического манекена, сделанного из реальной биологической ткани, до фактического оказания помощи в проведении самой операции. Эти приложения пока что в довольно отдаленном будущем, но включение неповрежденной цепи спинного мозга является важным шагом вперед."