Les chercheurs conçoivent un tapis d'exercice cellulaire qui pourrait aider les scientifiques à comprendre les effets mécaniques de l'exercice à un niveau microscopique. Les chercheurs ont créé un coussin de gel contenant des aimants capables de simuler les forces mécaniques subies par les cellules musculaires pendant l'exercice. Ce nouveau « tapis d'exercice » pourrait être utile pour tester des traitements chez des patients souffrant de blessures musculaires et de maladies neuromusculaires, ou pour développer des muscles artificiels destinés à être utilisés dans des robots mous.
Dans le corps humain, les cellules communiquent via une combinaison de signaux chimiques, électriques et mécaniques, notamment pendant l’exercice. Établir des contacts mécaniques réalistes entre cellules peut être difficile pour les cellules fabriquées en laboratoire, car cela endommage souvent les cellules.
Les chercheurs du MIT ont créé un moyen sans dommage de simuler les impacts mécaniques que reçoivent les cellules des muscles squelettiques pendant l’exercice – pensez-y comme à un tapis de fitness pour les cellules.
"Ici, nous voulions séparer les deux principaux facteurs du mouvement - chimiques et mécaniques - et voir comment les muscles réagissent uniquement aux forces mécaniques du mouvement", a déclaré Ritu Raman, auteur correspondant de l'étude.
Les chercheurs ont étudié les aimants comme moyen de permettre aux cellules musculaires de résister régulièrement et de manière répétée à une force mécanique sans causer de dommages. Les chercheurs ont mélangé des nanoparticules magnétiques disponibles dans le commerce avec une solution de silicone caoutchouteuse, puis ont solidifié le mélange en feuilles et les ont découpées en bandes très fines. Nous avons construit un prototype de tampon composé de quatre tiges magnétiques légèrement plus espacées, prises en sandwich entre deux couches d'hydrogel.
En plaçant des cellules musculaires à la surface du tapis, les cellules rondes s'allongent progressivement et fusionnent avec les cellules voisines pour former des fibres. Sous le coussin de gel, les chercheurs ont placé un aimant externe sur la piste et l'ont programmé pour se déplacer d'avant en arrière. Les aimants intégrés dans le gel se déplacent, provoquant l’oscillation du gel et créant des forces similaires à celles du mouvement réel des cellules. Ils ont « exercé » les cellules 30 minutes par jour pendant 10 jours. Un groupe de cellules musculaires non exercées a servi de contrôle.
"Ensuite, nous avons zoomé et pris des photos du gel et avons constaté que les cellules stimulées mécaniquement étaient très différentes des cellules témoins", a déclaré Raman.
Ils ont constaté que les cellules exercées se développaient plus longtemps et formaient des fibres alignées dans la même direction. En revanche, les cellules témoins avaient tendance à rester rondes et désorganisées. Dans des circonstances normales, les cellules musculaires se contractent en réponse aux impulsions électriques des nerfs, mais dans des conditions de laboratoire, cela peut endommager les cellules. Les chercheurs ont donc génétiquement modifié les cellules pour qu’elles rétrécissent lorsqu’elles sont exposées à la lumière bleue.
"Lorsque nous éclairons un muscle, vous pouvez voir les cellules de contrôle battre, mais certaines fibres battent de cette façon et d'autres battent cela, créant globalement une contraction très asynchrone", a déclaré Raman. "Avec les fibres alignées, elles tirent et battent dans la même direction en même temps."
Les chercheurs affirment que le nouveau « gel d'exercice » pourrait servir de moyen rapide et non invasif pour sculpter les fibres musculaires et étudier leur réponse à l'exercice, ce qui pourrait conduire à des traitements pour aider les personnes à se remettre de blessures musculaires et de maladies neuromusculaires. Ils prévoient également de cultiver d'autres types de cellules sur le gel et d'étudier leur réponse à « l'exercice ».
"Les preuves biologiques montrent que de nombreux types de cellules répondent à des stimuli mécaniques. Il s'agit d'un nouvel outil pour étudier les interactions", a déclaré Raman.
La recherche a été publiée dans la revue Devices.