연구원들은 과학자들이 미세한 수준에서 운동의 기계적 효과를 이해하는 데 도움이 될 수 있는 세포 운동 매트를 설계했습니다. 연구원들은 운동 중에 근육 세포가 경험하는 기계적 힘을 시뮬레이션할 수 있는 자석이 포함된 젤 패드를 만들었습니다. 이 새로운 "운동 매트"는 근육 부상 및 신경근 질환 환자의 치료법을 테스트하거나 소프트 로봇에 사용할 인공 근육을 성장시키는 데 유용할 수 있습니다.
인체의 세포는 특히 운동 중에 화학적, 전기적, 기계적 신호의 조합을 통해 통신합니다. 실제와 같은 기계적 세포-세포 접촉을 만드는 것은 종종 세포에 손상을 주기 때문에 실험실에서 만든 세포의 경우 어려울 수 있습니다.
MIT 연구원들은 운동 중에 골격근 세포가 받는 기계적 충격을 시뮬레이션하는 손상 없는 방법을 만들었습니다. 이는 세포를 위한 피트니스 매트와 같다고 생각하면 됩니다.
이번 연구의 교신 저자인 Ritu Raman은 "여기서 우리는 움직임의 두 가지 주요 요소인 화학적 요소와 기계적 요소를 분리하고 근육이 움직임의 기계적 힘에 순수하게 어떻게 반응하는지 확인하고 싶었습니다."라고 말했습니다.
연구자들은 근육 세포가 손상을 일으키지 않고 규칙적이고 반복적으로 기계적 힘을 견딜 수 있도록 하는 방법으로 자석을 살펴보았습니다. 연구진은 상업적으로 이용 가능한 자성 나노입자를 고무 실리콘 용액과 혼합한 다음 혼합물을 시트로 굳힌 다음 매우 얇은 스트립으로 자릅니다. 우리는 두 개의 하이드로겔 층 사이에 끼워져 약간 더 넓은 간격을 두고 있는 4개의 자기 막대로 구성된 프로토타입 패드를 만들었습니다.
매트 표면에 근육세포를 배치하면 둥근 세포가 점차 늘어나면서 주변 세포와 융합하여 섬유질을 형성하게 됩니다. 연구자들은 젤 패드 아래에 외부 자석을 트랙에 놓고 앞뒤로 움직이도록 프로그래밍했습니다. 젤에 내장된 자석이 움직이면서 젤이 진동하고 실제 세포가 움직일 때와 유사한 힘이 생성됩니다. 그들은 10일 동안 하루에 30분씩 세포를 "운동"했습니다. 운동되지 않은 근육 세포 그룹이 대조군 역할을 했습니다.
"그런 다음 우리는 젤을 확대하여 사진을 찍었고 기계적으로 자극된 세포가 대조 세포와 매우 다르게 보이는 것을 발견했습니다."라고 Raman은 말했습니다.
그들은 운동된 세포가 더 길어지고 같은 방향으로 정렬된 섬유로 성장한다는 것을 발견했습니다. 대조적으로, 대조군 세포는 둥글고 무질서한 상태를 유지하는 경향이 있었습니다. 정상적인 상황에서 근육 세포는 신경의 전기 자극에 반응하여 수축하지만 실험실 조건에서는 이로 인해 세포가 손상될 수 있습니다. 그래서 연구자들은 청색광에 노출되면 세포가 수축되도록 유전적으로 조작했습니다.
"우리가 근육에 빛을 비추면 제어 세포가 뛰는 것을 볼 수 있지만, 섬유 중 일부는 이렇게 뛰고 일부는 저러고 전체적으로 매우 비동기적인 경련을 생성합니다."라고 Raman은 말했습니다. "섬유가 정렬되어 있으면 동시에 같은 방향으로 당기고 뛰게 됩니다."
연구원들은 새로운 "운동 젤"이 근육 섬유를 조각하고 운동에 대한 반응을 연구하는 빠르고 비침습적인 방법으로 작용할 수 있으며, 이를 통해 사람들이 근육 부상과 신경근 질환으로부터 회복하는 데 도움이 되는 치료법으로 이어질 수 있다고 말합니다. 그들은 또한 젤에서 다른 유형의 세포를 성장시키고 '운동'에 대한 반응을 연구할 계획입니다.
"생물학적 증거는 많은 유형의 세포가 기계적 자극에 반응한다는 것을 보여줍니다. 이것은 상호 작용을 연구하기 위한 새로운 도구입니다"라고 Raman은 말했습니다.
이 연구는 저널 Devices에 게재되었습니다.