Нет сомнений в том, что упражнения приносят пользу телу, в том числе укрепляют и тонизируют наши мышцы. Но как именно упражнения способствуют этому?
Когда мы бежим, поднимаем тяжести и растягиваемся, наши мышцы воспринимают химические сигналы от окружающих клеток, а также механические силы от соприкосновения с тканями. Некоторые физиологи задаются вопросом: являются ли естественные химические стимуляторы организма или физические силы повторяющихся движений — или какая-то смесь того и другого — что в конечном итоге заставляет наши мышцы расти? Ответ может стать ключом к определению методов лечения, которые помогут людям восстановиться после мышечных травм и нейродегенеративных расстройств.
Теперь инженеры Массачусетского технологического института разработали своего рода тренировочный коврик для клеток, который может помочь ученым на микроскопическом уровне сосредоточиться на чисто механических эффектах упражнений.
Новый дизайн не сильно отличается от коврика для йоги: оба резиновые и немного эластичные. В случае с ковриком MIT он сделан из гидрогеля — мягкого желеобразного материала размером примерно с четверть монеты, в который встроены магнитные микрочастицы.
Чтобы активировать механическую функцию геля, исследователи использовали внешний магнит под ковриком, который перемещал внедренные частицы вперед и назад, раскачивая гель, в свою очередь, как вибрирующий коврик. Они контролировали частоту колебаний, чтобы имитировать силы, которые мышцы будут испытывать во время реальных упражнений.
Затем они вырастили ковер из мышечных клеток на поверхности геля и активировали движение магнита. Затем они изучили, как клетки реагировали на «тренировку», когда их подвергали магнитной вибрации.
На данный момент результаты показывают, что регулярные механические упражнения могут помочь мышечным волокнам расти в том же направлении. Эти выровненные, «тренированные» волокна также могут работать или сокращаться синхронно. Результаты показывают, что ученые могут использовать новый гель для тренировок, чтобы влиять на рост мышечных волокон. С помощью своего нового устройства команда планирует создать модели сильных функциональных мышц, которые потенциально можно будет использовать в мягких роботах и для восстановления больных тканей.
«Мы надеемся использовать эту новую платформу, чтобы увидеть, может ли механическая стимуляция помочь восстановить рост мышц после травм или уменьшить последствия старения», — говорит Риту Раман, британец и профессор развития карьеры Алекса д’Арбелофф в области инженерного дизайна в Массачусетском технологическом институте. «Механические силы играют очень важную роль в наших телах и окружающей среде. И теперь у нас есть инструмент для изучения этого».
Она и ее коллеги опубликовали свои результаты сегодня в журнале. Устройство.
Вниз на коврик
В Массачусетском технологическом институте лаборатория Рамана разрабатывает адаптивные живые материалы для использования в медицине и робототехнике. Команда занимается разработкой функциональных нервно-мышечных систем с целью восстановления подвижности пациентов с двигательными нарушениями и приведения в действие мягких и адаптируемых роботов. Чтобы лучше понять естественные мышцы и силы, которые управляют их функцией, ее группа изучает, как ткани реагируют на клеточном уровне на различные силы, такие как физические упражнения.
«Мы хотели найти способ разделить два основных элемента упражнений — химический и механический — чтобы увидеть, как мышцы реагируют исключительно на механические силы упражнений», — говорит Раман.
Команда искала способ подвергать мышечные клетки регулярным и повторяющимся механическим воздействиям, которые в то же время не повредили бы их физически. В конечном итоге они нашли магниты — безопасный и неразрушающий способ генерировать механические силы.
Для своего прототипа исследователи создали небольшие магнитные стержни микронного размера, сначала смешав коммерчески доступные магнитные наночастицы с эластичным силиконовым раствором. Они затвердели смесь, чтобы сформировать плиту, а затем нарезали плиту на очень тонкие бруски. Они поместили четыре магнитных стержня, каждый на небольшом расстоянии друг от друга, между двумя слоями гидрогеля — материала, который обычно используется для культивирования мышечных клеток. В результате получился коврик со встроенным магнитом размером примерно с четвертак.
Затем команда вырастила «булыжник» мышечных клеток на поверхности мата. Каждая клетка изначально имела круглую форму, которая постепенно удлинялась и сливалась с другими соседними клетками, образуя волокна с течением времени.
Наконец, исследователи поместили внешний магнит на направляющую под гелевым ковриком и запрограммировали магнит на движение вперед и назад. Встроенные магниты двигались в ответ, раскачивая гель и создавая силы, аналогичные тем, которые испытывают клетки во время реальных упражнений. Команда механически «тренировала» клетки по 30 минут в день в течение 10 дней. В качестве контроля они выращивали клетки на том же коврике, но оставляли их расти, не тренируя их.
«Затем мы уменьшили масштаб и сфотографировали гель и обнаружили, что эти механически стимулированные клетки сильно отличались от контрольных клеток», — говорит Раман.
Ячейки синхронизированы
Эксперименты команды показали, что мышечные клетки, которые регулярно подвергаются механическим движениям, растут дольше по сравнению с клетками, которые не подвергались тренировкам и которые имеют тенденцию сохранять круглую форму. Более того, «тренированные» клетки превратились в волокна, выровненные в одном направлении, тогда как неподвижные клетки напоминали более беспорядочный стог сена из смещенных волокон.
Мышечные клетки, которые команда использовала в этом исследовании, были генетически спроектированы так, чтобы сокращаться в ответ на синий свет. Обычно мышечные клетки тела сокращаются в ответ на электрический импульс нерва. Однако электрическая стимуляция мышечных клеток в лаборатории потенциально могла их повредить, поэтому команда решила генетически манипулировать клетками, чтобы они сокращались в ответ на неинвазивный раздражитель — в данном случае синий свет.
«Когда мы освещаем мышцы, вы можете видеть, как бьются управляющие клетки, но некоторые волокна бьются в одну сторону, некоторые в другую, и в целом производят очень асинхронные подергивания», — объясняет Раман. «В то время как при выровненных волокнах все они тянут и бьют одновременно и в одном направлении».
Раман говорит, что новый гель для тренировок, который она называет MagMA, для активации магнитной матрицы, может служить быстрым и неинвазивным способом формирования мышечных волокон и изучения того, как они реагируют на упражнения. Она также планирует вырастить на геле другие типы клеток, чтобы изучить, как они реагируют на регулярные физические упражнения.
«Есть данные биологии, позволяющие предположить, что многие типы клеток реагируют на механическую стимуляцию», — говорит Раман. — «И это новый инструмент для изучения взаимодействия».
Это исследование было частично поддержано Национальным научным фондом США и Исследовательским отделом армии Министерства обороны.