La piattaforma vibrante potrebbe essere utile per far crescere muscoli artificiali per alimentare robot morbidi e testare terapie per le malattie neuromuscolari.
Indubbiamente, l’esercizio fa bene al corpo, incluso rafforzare e tonificare i nostri muscoli. Ma come funziona esattamente l’esercizio fisico fai in modo che ciò accada?
Mentre corriamo, solleviamo pesi e ci allunghiamo, i nostri muscoli ricevono segnali chimici dalle cellule circostanti, così come forze meccaniche che spingono contro i tessuti.
Alcuni fisiologi si chiedono: sono gli stimolanti chimici naturali del corpo, le forze fisiche del movimento ripetuto, o una combinazione dei due, che alla fine spingono i nostri muscoli a crescere? La risposta potrebbe essere la chiave per identificare terapie per aiutare le persone a riprendersi da lesioni muscolari e disturbi neurodegenerativi.
Ora, gli ingegneri del MIT hanno progettato una sorta di tappetino da allenamento per le cellule che può aiutare gli scienziati a concentrarsi, a livello microscopico, sugli effetti puramente meccanici dell’esercizio.
Il nuovo design non è molto diverso da un tappetino da yoga: entrambi sono gommosi, con un po’ di elasticità. Nel caso del tappetino del MIT, è realizzato in idrogel, un materiale morbido simile alla gelatina che ha le dimensioni di un quarto di dollaro ed è incorporato con microparticelle magnetiche.
Per attivare la funzione meccanica del gel, i ricercatori hanno utilizzato un magnete esterno sotto il tappetino per spostare le particelle incorporate avanti e indietro, facendo oscillare il gel come un tappetino vibrante. Hanno controllato la frequenza di oscillazione per imitare le forze che i muscoli avrebbero sperimentato durante l’esercizio reale.
Successivamente hanno sviluppato un tappeto di cellule muscolari sulla superficie del gel e hanno attivato il movimento del magnete. Quindi, hanno studiato come le cellule rispondevano all’“esercizio” mentre venivano vibrate magneticamente.
Finora, i risultati suggeriscono che un regolare esercizio meccanico può aiutare le fibre muscolari a crescere nella stessa direzione. Queste fibre allineate e “esercitate” possono anche lavorare, o contrarsi, in sincronia.
I risultati dimostrano che gli scienziati possono utilizzare il nuovo gel da allenamento per modellare il modo in cui crescono le fibre muscolari. Con il loro nuovo dispositivo, il team prevede di modellare strati di muscoli forti e funzionali, potenzialmente per robot morbidi e per riparare tessuti malati.
“Speriamo di utilizzare questa nuova piattaforma per vedere se la stimolazione meccanica potrebbe aiutare a guidare la ricrescita muscolare dopo un infortunio o ridurre gli effetti dell’invecchiamento”, afferma Ritu Raman, professoressa di sviluppo professionale in progettazione ingegneristica britannica e Alex d’Arbeloff al MIT.
“Le forze meccaniche svolgono un ruolo davvero importante nel nostro corpo e nell’ambiente in cui viviamo. E ora abbiamo uno strumento per studiarlo”.
Lei e i suoi colleghi lo hanno fatto pubblicato i loro risultati nel diario Dispositivo.
Giù al tappeto
Al MIT, il laboratorio di Raman progetta materiali viventi adattivi da utilizzare in medicina e robotica. Il team sta progettando sistemi neuromuscolari funzionali con l’obiettivo di ripristinare la mobilità in pazienti con disturbi motori e di alimentare robot morbidi e adattabili.
Per comprendere meglio i muscoli naturali e le forze che guidano la loro funzione, il suo gruppo sta studiando come i tessuti rispondono, a livello cellulare, a varie forze come l’esercizio.
“In questo caso, volevamo un modo per disaccoppiare i due elementi principali dell’esercizio, chimico e meccanico, per vedere come i muscoli rispondono esclusivamente alle forze meccaniche dell’esercizio”, afferma Raman.
Il team ha cercato un modo per esporre le cellule muscolari a forze meccaniche regolari e ripetute, che allo stesso tempo non le danneggiassero fisicamente durante il processo. Alla fine sono arrivati ai magneti, un modo sicuro e non distruttivo per generare forze meccaniche.
Per il loro prototipo, i ricercatori hanno creato piccole barre magnetiche delle dimensioni di un micron, mescolando prima le nanoparticelle magnetiche disponibili in commercio con una soluzione gommosa di silicone. Hanno polimerizzato il composto fino a formare una lastra, quindi l’hanno tagliato in barre molto sottili.
Hanno inserito quattro barre magnetiche, ciascuna leggermente distanziata, tra due strati di idrogel, un materiale che viene tipicamente utilizzato per coltivare le cellule muscolari. Il tappetino risultante, incorporato con un magnete, aveva le dimensioni di un quarto di dollaro.
Il team ha poi fatto crescere un “ciottolo” di cellule muscolari sulla superficie del tappetino. Ogni cellula inizialmente aveva una forma circolare che gradualmente si allungava e si fondeva con le altre cellule vicine per formare fibre nel tempo.
Infine, i ricercatori hanno posizionato un magnete esterno su un binario sotto il tappetino in gel e hanno programmato il magnete per muoversi avanti e indietro. I magneti incorporati si muovevano in risposta, facendo oscillare il gel e generando forze simili a quelle che le cellule sperimenterebbero durante l’esercizio reale.
Il team ha “esercitato” meccanicamente le cellule per 30 minuti al giorno, per 10 giorni. Come controllo, hanno coltivato cellule sullo stesso tappetino, ma le hanno lasciate crescere senza esercitarle.
“Poi, abbiamo ingrandito e scattato una foto del gel, e abbiamo scoperto che queste cellule stimolate meccanicamente sembravano molto diverse dalle cellule di controllo”, dice Raman.
Celle sincronizzate
Gli esperimenti del team hanno rivelato che le cellule muscolari regolarmente esposte al movimento meccanico crescevano più a lungo rispetto alle cellule che non venivano esercitate, che tendevano a rimanere di forma circolare. Inoltre, le cellule “esercitate” crescevano in fibre allineate nella stessa direzione, mentre le cellule immobili assomigliavano a un pagliaio più casuale di fibre disallineate.
Le cellule muscolari utilizzate dal team in questo studio sono state geneticamente modificate per contrarsi in risposta alla luce blu. In genere, le cellule muscolari del corpo si contraggono in risposta all’impulso elettrico di un nervo. Stimolare elettricamente le cellule muscolari in laboratorio, tuttavia, potrebbe potenzialmente danneggiarle, quindi il team ha scelto di manipolare geneticamente le cellule affinché si contraggano in risposta a uno stimolo non invasivo, in questo caso la luce blu.
“Quando puntiamo la luce sui muscoli, puoi vedere che le cellule di controllo battono, ma alcune fibre battono in questo modo, altre in quel modo, e nel complesso producono contrazioni molto asincrone”, spiega Raman. “Mentre le fibre allineate tirano e battono tutte contemporaneamente, nella stessa direzione.”
Raman afferma che il nuovo gel da allenamento, che lei chiama MagMA, per l’attivazione della matrice magnetica, può essere un modo rapido e non invasivo per modellare le fibre muscolari e studiare come rispondono all’esercizio. Ha inoltre in programma di far crescere altri tipi di cellule sul gel per studiare come rispondono all’esercizio fisico regolare.
“Ci sono prove biologiche che suggeriscono che molti tipi di cellule rispondono alla stimolazione meccanica”, afferma Raman. “E questo è un nuovo strumento per studiare l’interazione”.
Scritto da Jennifer Chu
Da un’altra testata giornalistica. news de www.technology.org