Ερευνητές Ανάπτυξαν Μικρά “Spinobots” με Μυς και Ιστός Νωτιαίου Μυελού από Ποντίκι

Σε μια περίεργη και σημαντική εξέλιξη στη ρομποτική, ερευνητές στο Πανεπιστήμιο του Ιλινόις στο Ουρμπάνα-Σαμπέιν έχουν αναπτύξει μικρά “spinobots” που μπορούν να περπατούν. Αυτά τροφοδοτούνται από μύες και ιστό νωτιαίου μυελού ποντικού, ο οποίος είναι παρών στο μαλακό, 3D-εκτυπωμένο σκελετό από υδρογέλης.

Πριν από τις νέες εξελίξεις, οι βιολογικοί ρομποτ εξαρτώνταν από απλή σύσπαση μυών για να προχωρήσουν. Με τη χρήση του νωτιαίου μυελού σε αυτούς τους νέους ρομποτ, μπορούν να περπατούν με ένα πιο φυσικό ρυθμό.

Η Martha Gillette είναι η ηγέτης της μελέτης και καθηγήτρια κυτταρικής και αναπτυξιακής βιολογίας.

“Αυτά είναι τα πρώτα βήματα προς την κατεύθυνση των διαδραστικών βιολογικών συσκευών που θα μπορούσαν να έχουν εφαρμογές για τη νευρολογική υπολογιστική και για την αναστρεπτική ιατρική,” είπε η Gillette.

Τα ευρήματα δημοσιεύθηκαν στο περιοδικό APL Bioengineering.

Δημιουργία των Spinobots

Για να κατασκευάσουν τα spinobots, οι ερευνητές πρώτα έτυπωσαν το μικρό σκελετό. Had δύο πόδια που λειτουργούσαν ως πόδια, καθώς και một ευέλικτο “σπονδυλικό στήλη”. Ο σκελετός στη συνέχεια σπαργήθηκε με μυϊκές κυτταρικές που μεγάλωσαν σε μυϊκό ιστό, και ένα τμήμα οσφυϊκού νωτιαίου μυελού ποντικού λήφθηκε και ενσωματώθηκε σε αυτό.

Ο Collin Kaufman είναι φοιτητής μεταπτυχιακού και ο πρώτος συγγραφέας του εγγράφου.

“Επιλέξαμε ειδικά τον οσφυϊκό νωτιαίο μυελό επειδή προηγούμενη εργασία έχει αποδείξει ότι στεγάζει τους κυκλώματα που ελέγχουν την εναλλαγή αριστερά-δεξιά για τα κάτω άκρα κατά τη διάρκεια του περπατήματος,” είπε ο Kaufman. “Από μια μηχανική προοπτική, οι νευρώνες είναι απαραίτητοι για να οδηγήσουν ακόμα πιο σύνθετες, συντονισμένες μυϊκές κινήσεις. Το πιο δύσκολο εμπόδιο για την εύρωση ήταν ότι κανείς δεν είχε ποτέ καλλιεργήσει έναν ακέραιο νωτιαίο μυελό ποντικού πριν.”

Σχεδιασμός μιας Μεθόδου για την Ενσωμάτωση του Νωτιαίου Μυελού

Οι ερευνητές ανέπτυξαν μια μέθοδο για να εξαγάγουν τον ακέραιο νωτιαίο μυελό και να τον καλλιεργήσουν, καθώς και να τον ενσωματώσουν στο ρομποτ ενώ καλλιεργούσαν μαζί τους μυϊκούς και νευρικούς ιστούς. Όταν το έκαναν, έπρεπε να βεβαιωθούν ότι οι νευρώνες σχημάτιζαν συνδέσεις με τους μύες.

Μετά τον σχεδιασμό της νέας μεθόδου, οι ερευνητές παρατήρησαν μυϊκές συσπάσεις που συνέβησαν στα spinobots. Αυτές σήμαιναν ότι οι νευρομυϊκές συνδέσεις σχηματίστηκαν πραγματικά, και τα δύο είδη κυττάρων επικοινωνούσαν. Για να βεβαιωθούν ότι ο νωτιαίος μυελός λειτουργούσε, ο οποίος χρειάζεται για το περπάτημα, οι ερευνητές χρησιμοποίησαν γλουταμικό οξύ. Το γλουταμικό οξύ είναι ένας νευροδιαβιβαστής που βοηθά τους νευρώνες να στείλουν σήματα στους μύες για να συσπαστούν.

Ο μυς συσπασμένος και τα πόδια κινήθηκαν με ένα φυσικό ρυθμό λόγω του γλουταμικού οξέος, και μια φορά που αφαιρέθηκε, τα spinobots δεν περπάτησαν πλέον.

Τα επόμενα βήματα για τους ερευνητές περιλαμβάνουν την εξέλιξη των κινήσεων των spinobots, με τρόπο ώστε να είναι ακόμα πιο φυσικά. Η ελπίδα τους είναι ότι τα in vitro μοντέλα του περιφερειακού νευρικού συστήματος μπορούν να δημιουργηθούν μέσω της χρήσης μικρόκλιμακας ενσωμάτωσης του νωτιαίου μυελού.

“Η ανάπτυξη ενός in vitro περιφερειακού νευρικού συστήματος — νωτιαίος μυελός, εξογκώματα και εσωκλειόμενοι μύες — θα μπορούσε να επιτρέψει στους ερευνητές να μελετήσουν τις νευροεκφυλιστικές ασθένειες όπως η ALS σε πραγματικό χρόνο με μεγαλύτερη ευκολία πρόσβασης σε όλα τα επηρεαζόμενα συστατικά,” είπε ο Kaufman. “Υπάρχουν επίσης πολλοί τρόποι με τους οποίους αυτή η τεχνολογία θα μπορούσε να χρησιμοποιηθεί ως εργαλείο εκπαίδευσης χειρουργών, από το να ενεργεί ως δούκας πρακτικής από πραγματικό βιολογικό ιστό μέχρι να βοηθά πραγματικά στην εκτέλεση της χειρουργικής επέμβασης. Αυτές οι εφαρμογές είναι, για τώρα, σε ένα αρκετά μακρινό μέλλον, αλλά η ένταξη ενός ακέραιου κυκλώματος νωτιαίου μυελού είναι ένα σημαντικό βήμα προς τα εμπρός.”