Piccole macchine viventi

In un laboratorio al quarto piano dell'Università di Harvard, Adam Feinberg sta scrutando attraverso un microscopio a basso ingrandimento e usando un bisturi per ritagliare triangoli e rettangoli da un polimero sottile. Ciò che è impossibile vedere ad occhio nudo è uno strato di tessuto cardiaco dello spessore di una cellula che riveste ogni forma. Quando Feinberg collega la capsula di Petri che tiene i triangoli e i rettangoli a un pacemaker, il tessuto inizia a contrarsi ritmicamente e le forme prendono vita, torcendosi, pizzicandosi e persino nuotando attraverso una soluzione.

francobolli di cuore : Adam Feinberg (a sinistra), un postdoc ad Harvard, e Kevin Kit Parker, un professore di ingegneria biomedica, realizzano minuscole macchine con tessuto di cuore di ratto.

I pezzi di film sottili muscolari sono lunghi solo pochi millimetri e spessi solo 30 micrometri; a prima vista assomigliano a piccoli vermi che potresti trovare dimenarsi in una pozza di fango. Kevin Kit Parker, il professore di ingegneria biomedica che dirige il laboratorio di Harvard, scherza dicendo che ha intenzione di ritirarsi nel sud, dove è cresciuto, e venderli come esche personalizzabili in un negozio di esche.

Questa storia faceva parte del nostro numero di gennaio 2008

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Ma l'esperimento ha implicazioni del tutto serie. Alla fine, i cerotti di tessuto contrazione potrebbero essere usati come attuatori per piccoli dispositivi robotici impiantati nel corpo. Le cellule muscolari sarebbero alimentate dallo zucchero nel flusso sanguigno e mantenute dagli stessi meccanismi di riparazione che fanno funzionare il cuore. Parker afferma che il film rivestito di muscolo potrebbe essere utilizzato anche per rigenerare i tessuti danneggiati negli attacchi di cuore. Ma tali applicazioni sono piuttosto lontane, dice. A breve termine, i dispositivi potrebbero essere utilizzati per aiutare i ricercatori a monitorare come i farmaci sperimentali modificano il comportamento del muscolo cardiaco.

Tessuto di stampa
Questa non è la prima volta che i ricercatori hanno sviluppato un muscolo cardiaco pulsante in un piatto. Ma Parker e Feinberg, un ricercatore post-dottorato nel laboratorio di Parker, hanno trovato il modo di rendere i tessuti molto più potenti, contraendosi con la stessa forza del tessuto cardiaco naturale.

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• Guarda un filmato che spiega come i ricercatori creano gli attuatori.

• Guarda il tessuto cardiaco battere a tempo con i segnali elettrici.

La fabbricazione dei dispositivi inizia con una tecnica di stampa biologica, sviluppata dai chimici di Harvard, in grado di depositare proteine ​​in modelli microscopici su varie superfici. Parker e Feinberg utilizzano il metodo per organizzare con precisione le cellule del cuore in tessuto funzionante.

Il processo sembra insignificante. Lavorando in una cappa da laboratorio sterile, Feinberg dispone alcuni pezzi di gomma siliconica trasparente in una capsula di Petri. I pezzi sono francobolli modellati con una serie di linee microscopiche. Il modello è stato creato modellando i timbri su un wafer di silicio inciso utilizzando le stesse tecniche che producono i microchip. Su ogni francobollo Feinberg spruzza un inchiostro trasparente che contiene una proteina comune chiamata fibronectina. Quando il timbro si asciuga, si forma un sottile strato di proteine. Tenendo un timbro con un paio di pinze, Feinberg lo preme su un coprioggetto rotondo di vetro rivestito di silicone, trasferendo le proteine ​​dalla parte rialzata del modello microscopico alla pellicola di silicone.

Con i modelli proteici stampati e pronti, Feinberg immerge il coprioggetto in una soluzione di cellule cardiache giovani, ancora in via di sviluppo, raccolte da ratti. Le cellule iniziano ad aderire alla fibronectina, formando linee ordinate. Feinberg mette quindi le cellule e il vetrino coprioggetto con motivi proteici, ancora immersi nella soluzione, in un'incubatrice a temperatura corporea. Nei prossimi giorni, le linee di fibronectina guidano l'organizzazione e l'ulteriore sviluppo delle cellule. Iniziano a formarsi lunghe unità contrattili simili a fibre, guidate dalle cellule in modo che si allineino parallelamente alle linee delle proteine. Se non fossero allineate in questo modo, le cellule combatterebbero l'una contro l'altra mentre si contraggono invece di tirare nella stessa direzione. Le cellule allineate, tuttavia, si contraggono tutte lungo lo stesso asse, proprio come fanno nel tessuto cardiaco naturale.

Quando Feinberg rimuove il tessuto appena cresciuto dall'incubatrice, esso e la pellicola di silicone su cui è stampato vengono immobilizzati dal coprioggetto in vetro rigido. Ma mentre si raffreddano, una colla sensibile alla temperatura che tiene il silicone sul vetro inizia a dissolversi. Feinberg ha solo pochi minuti per ritagliare le forme prima che il silicone e il tessuto galleggino liberamente. Una volta fatto, il tessuto cardiaco può contrarsi, facendo sì che il film a cui è ancorato inizi a piegarsi e torcersi.

Finora Feinberg ha realizzato pompe rudimentali, attuatori rotanti, pinze, un dispositivo che nuota lentamente e un altro che cammina sul fondo di una capsula di Petri. Una lunga striscia rettangolare, tagliata dal film in modo che le linee di cellule corrano lungo la sua lunghezza, si arriccia ad ogni contrazione. Un altro rettangolo, tagliato leggermente inclinato rispetto alle celle, si avvolge in un cavatappi. La coda stretta di un pezzo triangolare spinge la forma attraverso la soluzione. Il comportamento di questi dispositivi può essere controllato come quello di un cuore naturale: con un pacemaker. Feinberg aggancia i cavi elettrici alla piccola parabola che contiene i dispositivi. Scoppi di elettricità a bassa tensione viaggiano attraverso la soluzione, segnalando al muscolo di contrarsi.

Muscoli sotto la droga
Un modo pratico per misurare l'effetto dei farmaci sul tessuto cardiaco è determinare la forza con cui il tessuto trattato può contrarsi. Pertanto, il dispositivo che potrebbe essere più utile a breve termine è anche uno dei più semplici: una lunga striscia di tessuto rettangolare che si piega leggermente a ogni impulso di elettricità. Questi dispositivi potrebbero essere utilizzati sia per lo screening di farmaci destinati ad agire sul cuore, sia per identificare farmaci che potrebbero avere effetti negativi sul cuore.

Poiché le proprietà meccaniche del silicone sono ben note, è possibile determinare esattamente quanta forza sta esercitando il tessuto cardiaco misurando quanto si piega la striscia. Se si osserva un cambiamento nella quantità di forza che le cellule possono esercitare, è segno che un farmaco sta avendo effetto. Parker prevede un sistema di test di piccoli pozzetti, ciascuno contenente una striscia di silicone e muscolo cardiaco. Un tale sistema potrebbe essere utilizzato per misurare gli effetti di diversi composti, o diverse concentrazioni dello stesso composto, sulla capacità di funzionare del tessuto cardiaco. Il sistema potrebbe anche essere automatizzato; Feinberg ha già sviluppato un software che analizza il video delle strisce e calcola i cambiamenti nella quantità di forza esercitata dal tessuto.

Finora, i ricercatori hanno utilizzato solo cellule di ratto. Alla fine, sperano di realizzare strumenti di screening con cellule umane, magari coltivando prima le cellule staminali e poi inducendole a svilupparsi in cellule cardiache. Sperano anche di realizzare sistemi simili con cellule muscolari che rivestono i vasi sanguigni, ad esempio per testare i farmaci per l'ipertensione. Per altre applicazioni, i dispositivi dovranno essere realizzati più piccoli (per robot impiantabili) o più grandi (per cerotti che aiutano a guarire i cuori danneggiati).

In definitiva, la chiave della tecnologia potrebbe essere la sua semplicità, che potrebbe renderlo facile da adattare a una vasta gamma di applicazioni. Come dice Parker, abbiamo messo a prova di manichino questa tecnologia in modo che sia facile da imparare, facile da fare e, infine, facile da implementare in clinica.

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