Ученые вырастили живую ткань сердца, способную генерировать электричество

Фото из открытых источников

Инженеры вырастили ткань человеческого сердца вокруг сетки из крошечных генераторов, и каждый удар сердца генерировал небольшой электрический импульс, при этом батарея не использовалась. Результаты исследования были опубликованы в журнале Science Advances.

Кардиостимулятор работает от батареи, которая со временем разряжается, и находится внутри сердца, которое никогда не перестает работать. В лабораторных условиях инженеры вырастили живую ткань человеческого сердца вокруг сетки из крошечных генераторов. Каждое сердцебиение изгибало генераторы настолько, что создавало небольшой электрический импульс.

Специалисты распределили генераторы между ячейками, а не объединили их в один блок. По расчетам команды, это дает более чем в 10 раз больше энергии для устройства такого размера, чем у ранее имплантированных устройств для сбора энергии. Ничто из этого еще не было опробовано на реальном организме.

«Наши тела — это круглосуточные электростанции. Каждая клетка вырабатывает собственную энергию», — говорит ведущий автор исследования Сици Ван из Массачусетского университета в Амхерсте.

Кардиостимуляторы, кохлеарные имплантаты, стимуляторы головного мозга и медицинские мониторы — всем им нужен источник питания. Батареи громоздки, а уменьшение их размеров или увеличение гибкости означает, что они будут держать меньший заряд.

Некоторые гаджеты, носимые вне тела, уже обходятся без батареи, например, умная обувь, которая заряжается с каждым шагом. Имплантат же не может полагаться на шаги.

«Люди давно мечтали о будущем, в котором определенные электронные устройства смогут расширить наши возможности», — сказал соавтор исследования Цзюнь Яо из инженерного колледжа Риччио. В его лаборатории также был создан искусственный нейрон, предназначенный для связи с живыми клетками.

Другие группы разработали устройства, преобразующие движение бьющегося сердца или дышащего легкого в электричество, в том числе кардиостимулятор, работающий от сердцебиения.

Эти устройства для сбора урожая располагаются в виде нашивки, пришитой к органу, или в герметичном корпусе. Упаковка занимает место, не производя при этом никакой энергии, и может раздражать окружающие ткани.

В организме каждая клетка вырабатывает собственную энергию, поэтому её запас распределяется по всей ткани, а не поступает из одной точки.

«Мы хотели сместить эту традиционную, централизованную парадигму в сторону чего-то более распределенного и основанного на биологических принципах», — сказал Яо.

Ваном была разработана сетка в виде сетки из пластиковых лент, более узких, чем типичная человеческая клетка. Вся конструкция имеет размеры примерно 7 на 8 миллиметров и около 78% её площади составляет открытое пространство. Вдоль лент расположены 64 крошечные полоски керамики, называемой цирконатом титаната свинца, или PZT. Согните полоску PZT, и она выдаст напряжение.

Тонкие пластиковые слои изолируют каждую полоску от окружающей влажной ткани, а группы из четырех полосок, соединенных проволокой встык, образуют один комбайн. Перед добавлением каких-либо элементов команда протестировала полоски на гибком листе. При дальнейшем изгибании листа напряжение возрастало.

При более быстром изгибе электрический ток, наоборот, возрастал, как и предсказывает физика пьезоэлектрического материала. Пластиковая пломба более двух месяцев удерживала клетки в жидкости, используемой для выращивания клеток сердца, и клетки, выращенные на сетке, оставались живыми.

Команда превратила человеческие стволовые клетки в клетки сердечной мышцы и высадила их на сетку. В течение последующих дней клетки стянулись в тонкий сплошной слой, который обернулся вокруг лент.

Затем лист отслоился от тарелки и свернулся, в основном в направлении, в котором должна была изгибаться сетка. Под микроскопом большая часть сетки была внедрена в ткань, а не расположена на ее поверхности. Клетки заполняли пробелы в сетке и покрывали также полоски PZT.

Ткань начала сокращаться самостоятельно, примерно раз в две-три секунды. С каждым сокращением устройства для сбора ткани посылали соответствующий электрический импульс. Пульс быстро нарастал и медленно спадал, подобно тому, как сердечная мышца быстро сокращается и медленно расслабляется.

Группа исследователей исключила собственную электрическую активность клеток и химический дрейф в жидкости как возможные источники проблемы. Поскольку пульс следует за каждым ударом сердца, сетка также может работать как датчик, отслеживающий каждый удар сердца без необходимости в собственном аккумуляторе.

Первая версия дала не очень хорошие результаты. После коррекции потерь сигнала в кабелях измерительного оборудования каждый генератор выдавал около 9 милливольт на удар. При проведении экспериментов ткань растягивала полоски примерно в 100 раз меньше, чем команда растягивала их на тестовом листе.

Поэтому команда увеличила толщину покрытия только в тех местах, где расположены полоски PZT, а сам слой PZT стал толще. Промежутки между полосками остались тонкими. В согнутой стопке слоев материал, расположенный дальше от середины, растягивается сильнее.

Ткань продолжала нормально сокращаться и скручиваться так же сильно, как и раньше. Выходное напряжение увеличилось примерно до 450–750 милливольт. Энергия от каждого импульса была ничтожно мала, по оценке команды, около 7 триллионных долей джоуля. Но каждый генератор энергии по размеру примерно равен одной клетке.

Каждая пьезоэлектрическая полоска преобразовывала движение в электричество с типичной скоростью, составляющей примерно 3,5%. Увеличение мощности было достигнуто за счет исключения основной массы, которая вообще не производит энергию.

Всё это происходило в тонком слое выращенной в лаборатории ткани. Сетка не была имплантирована ни животному, ни человеку, и команда не использовала полученную энергию для работы какого-либо устройства. Даже более массивная конструкция не оправдала ожиданий, выдвинутых самой командой.

Группа исследователей пришла к выводу, что слой клеток, который был настолько тонким, вероятно, не был прикреплен достаточно прочно, чтобы согнуть полоски настолько, насколько могла согнуться сама ткань.

Авторы предполагают, что более толстая, трехмерная ткань внутри тела сможет прочнее удерживать сетку. Затем многослойная сетка могла бы собирать энергию из более глубоких слоев органа, но это еще не было проверено.

«Наш организм пытается отторгнуть системы с громоздкими батареями, но когда устройство существует на клеточном уровне, биосовместимость значительно улучшается», — сказал Яо.

Остается открытым вопрос, насколько организм лучше реагирует на эту сетку по сравнению с громоздким имплантатом. Команда предлагает два способа это выяснить: вырастить ткань вокруг сетки в лаборатории и пересадить ее, или имплантировать сетку непосредственно хирургическим путем.