Искусственные мышцы: миф или реальность

Введение

Проблема создания искусственных тканей организма человека – весьма актуальная биотехнология, идея которой зародилась еще во второй половине ХХ века. Наравне с созданием искусственных органов, актуальность имеет проблема создания искусственных мышц. Искусственные мышцы, как предполагают ученые из различных стран, будут обладать повышенным уровнем прочности, эластичности, смогут выдерживать значительные нагрузки. Благодаря искусственным мышцам, человек приобретет силу, выносливость, сможет поднимать тяжести, превышающие его собственный вес. Перспективы создания искусственных мышц или «мускульной ткани», весьма велики. Мышечная ткань может быть использована для создания протезов, а в перспективе – для создания тканей роботов.
Пока что научные разработки в данной области не завершены, однако исследованы возможности создания искусственных мышц при помощи 3D печати. Есть и иные технологии, носящие в основном экспериментальный характер, позволяющие создать искусственные ткани, реагирующие на сигналы, поступающие от нерва благодаря нервно-мышечному соединению, которое выращено из клеток мышечной ткани и нейрональных клеток.
Эксперименты показывают, что созданные in vitro искусственные мышцы оказались способны к развитию, регенерации и смогли прижиться к телам животных.
В настоящее время ведутся разработки возможностей выращивания искусственных мышц и их распространение методом культивации, благодаря которому можно будет выращивать мышечную ткань в больших количествах. Но пока что все эти разработки носят экспериментальный характер. Неизвестно, как будут реагировать организмы людей на внедрение в них искусственных мышц, и каковы будут итоговые результаты.
Актуальность обращения к проблеме искусственных мышц обуславливается, с одной стороны, интенсивностью развития биотехнологий, с другой стороны, необходимостью разработки и внедрения в практику образцов искусственных тканей. Искусственные мышцы в перспективе способны будут излечить ряд заболеваний мышечной ткани глаз, сердца, желудка и т.д.
Цель работы – рассмотреть содержание проблемы создания искусственных мышц.
Для достижения цели поставлены задачи:
1. Выявить назначение, возможности и свойства искусственных мышц,
2. Рассмотреть технологии изготовления искусственных мышц,
3. Проанализировать проблемы, связанные с разработкой и внедрением искусственных мышц.
Работа состоит из введения, трех частей, заключения, в которых анализируется рассматриваемая тема.


1. Назначение, возможности и свойства искусственных мышц
Искусственные мышцы представляют собой ткани органического и синтетического происхождения, способные заменить естественные мышцы.
Искусственные мышцы должны имитировать структуру и функции естественных мышц и быть чувствительны к нейрогуморальному воздействию со стороны организма реципиента.
В настоящее время в тканевой инженерии активно разрабатываются ряд основных технологических подходов для создания искусственных мышц. Это послойная тканевая инженерия, применение децеллюляризированных трансплантатов, создание искусственных мышц из грануляционной ткани, а также на основе трубчатых полимерных матриц.
Искусственные мышц должны быть устойчивы к инфекциям, быть биосовместимыми с организмов реципиента, не иметь токсичности, не быть канцерогенными и имуногенными, обладать стабильность, быть герметичными образованиями, иметь идентичную природным мышцам текстуру, необходимую для быстрого и успешного приживления.
Фасции искусственных мышц не должны по своим характеристикам отличаться от биологических. Искусственные мышцы должны иметь биоме-ханические свойства: растяжимость, мощность, прочность на разрыв и при фиксации швами (наложенные швы не должны прорезываться), выдерживать физические нагрузки, не формировать перегибы, находясь в организме реципиента, обладать регенерирующей способностью

.
В идеале искусственные мышцы должны на 90 и более процентов копировать настоящие. При этом изготовление искусственных мышц должно быть экономически выгодным, целесообразным, недолгим. При этом в любой момент подвергнуться коррекции и видоизменению. Искусственные мышцы необходимы не только для поврежденных в результате травм или болезней мышц людей или животных. Эксперты надеются, что уже в ближайшем будущем создание искусственных мышц можно будет использовать не только для восстановления повреждения мышечной ткани человека, но и для поддержки деградирующей мускулатуры пожилых и больных лиц.
Определенные успехи в данном направлении уже имеются. К примеру, компания «3D Биопринтинг Солюшенс» уже успешно разрабатывает проекты по созданию искусственных органов и тканей, в частности, мышц, при помощи технологии 3D-биопринтинга. На подопытных животных были испробованы новые технологии. В более, чем половине случаев они оказались удачны. Но сколько проживут животные с новыми имплантантами, пока не известно. Результаты работы исследователи осветили на различных научных конференциях и симпозиумах. Пока что нельзя утверждать, что искусственные мышцы являются полноценным, исправно функционирующим продуктом биотехнологии. Есть сложности с их использованием и проблемные моменты, над устранением которых работают ученые.


2. Технологии изготовления искусственных мышц
Существуют апробации нескольких технологий изготовления искусственных мышц. Весьма популярна и актуальна технология 3D-биопринтинга для изготовления биологических конструкций. Технология основана на размещении клеток на биосовместимой основе. При этом используется особый метод генерации трехмерных структур биологических тканей. Технологии 3D-биопринтинга, в частности, продемонстрировали возможность создания искусственных мышц. Клетки тканей при этом обеспечили стабильность и жизнестойкость к многочисленным воздействиям. При создании искусственных мышц в 3D-биопринтинге использовались такие методы, как: магнитный биопринтинг, фотолитография, стереолитография, и прямая экструзия клеток. Изготовленный на принтере клеточный материал отправляется в специальную лабораторию, где он подлежит выращиванию.
Изготовленные на биопринтере искусственные мышцы уже сегодня в экспериментальном порядке могут быть пригодны в хирургии и трансплантологии.
Другая технология предполагает культивацию тканей на основе процесса децеллюляризации. При этом речь идет об искусственно выращенных мышцах из донорских клеток человека или животного. При этом мышцы должны обладать механическими свойствами, что было подтверждено в опытах in vitro. Ученые считают, что в перспективе есть возможность использования технологии децеллюляризации без предварительного заселения графтов донорскими клетками.
В лабораториях США и ряда стране Европы является технология с использованием биодеградируемых полимерных матриц. Для изготовления мышечной ткани сначала делают полимерный каркас с заданными свойствами. Далее, воздействуя на клетки химическими стимуляторами (факторами роста, цитокинами и др.), а также при воздействии тока и растяжения мышечная ткань подвергается дифференцировке. Затем происходит адаптация полученной ткани к организму реципиента. В итоге каркас заменяется внеклеточным матриксом, который синтезируют клетки. В результате можно получить выращенную мышцу. В процессе данной технологии принципиальное значение имеют среда для развития тканей, которая благоприятствует росту и внедрению клеток, совместимость с клетками реципиента