Последние тенденции в области биоинженерии мышц и их применение в культивируемом мясе, биороботических системах и биогибридных имплантатах.

Биология связи, том 5, Номер статьи: 737 (2022) Цитировать эту статью

5281 Доступов

7 цитат

18 Альтметрика

Подробности о метриках

Последние достижения в области тканевой инженерии и технологии биопроизводства позволили создать множество биологических тканей. Среди них инженерия биоискусственных мышц выделяется своей исключительной универсальностью и широким спектром применения. От пищевой промышленности до технологического сектора и медицины — развитие этой ткани потенциально может повлиять на многие отрасли одновременно. Однако на сегодняшний день биопроизводство культивированного мяса, биороботизированных систем и биоискусственных мышечных имплантатов по-прежнему рассматривается отдельными группами сверстников изолированно. Чтобы найти точки соприкосновения и поделиться достижениями, в этом обзоре излагаются требования к конкретным приложениям для создания мышечной ткани и предоставляется всесторонний обзор обычно используемых стратегий биопроизводства и текущих тенденций применения. Решая отдельные задачи и объединяя различные экспертные знания, в будущем во всех трех отраслях можно ожидать синергетического скачка инноваций, которые вдохновляют друг друга.

В последнее десятилетие большой интерес вызвала искусственная биофабрикация мышечной ткани. Благодаря разнообразному применению, например, в качестве культивируемого мяса1, биороботических систем2, биогибридных имплантатов в регенеративной медицине3 или при моделировании заболеваний4, популярность этой области исследований неуклонно росла.

В этой статье представлен всесторонний обзор последних стратегий биопроизводства, посвященных производству мышечной ткани для первых трех областей применения (рис. 1а). Последние истории успеха будут освещены и критически обсуждены.

Биофабрикация мышечной ткани позволяет многократное применение (а) от культивированного мяса155 (сборка волокнистых мышц, жира и сосудистых тканей до культивированного стейка Канга и др. (CC BY 4.0)), а также биороботизированных систем (из ссылки 2. Перепечатано с разрешение AAAS.) биогибридным имплантатам3 (грудная ветвь торакоакромиальной артерии была идентифицирована под большой грудной мышцей Лю и др. (CC BY 4.0)). В этом обзоре представлен всесторонний обзор наиболее важных требований, специфичных для клеток и материалов, а также специальных стратегий биопроизводства (адаптировано из ссылок 22,148 (Схематическая иллюстрация концепции, экспериментальной процедуры, цели и перспектив исследования Schäfer et al. (CC BY 4.0))) для каждой из трёх областей применения. Хотя биопроизводство культивированного мяса, биороботизированных систем и биоискусственных мышечных имплантатов до сих пор изучалось в основном изолированно, технологическое слияние откроет неожиданные инновации и определит будущие тенденции. Недавно опубликованная комбинация биороботических систем и биогибридных имплантатов является новаторским указателем того, что нас ждет впереди (b, адаптировано из Шринивасана и соавторов153 (перепечатано с разрешения Springer Nature Limited: Nature Biomedical Engineering, A кожно-механоневральный интерфейс для нейропротезной обратной связи) , Шринивасан и др., Copyright 2021).

Мышцы представляют собой васкуляризированную и иннервируемую ткань, состоящую на 90 % из мышечных клеток, таких как миобласты и сателлитные клетки, и на 10 % из фибробластов и адипоцитов5. В то время как фибробласты и адипоциты встречаются в больших количествах, мышечные клетки состоят из иерархической структуры с выровненными миоволокнами, образующимися в процессе созревания из сросшихся удлиненных многоядерных мышечных трубок под влиянием химических, механических и электрических сигналов6,7. Скелетная мышечная ткань заключена во внеклеточный матрикс (ECM), состоящий в основном из коллагена (Col) типа I и III8,9. Искусственное производство мышечной ткани следует общеизвестному процессу биофабрикации, состоящему из трех этапов: предварительная обработка, производство и созревание10. Сначала определяется трехмерная (3D) конструкция и необходимые материалы каркаса. Затем клетки и материалы собираются для формирования предшественника ткани. Обычно применяются общеизвестные методы биопроизводства, такие как посев клеток11,12, литье из гидрогеля13,14 или 3D-биопечать15,16,17. В конечном итоге ткань-предшественник проходит фазу созревания. В производстве мышц этот этап имеет особое значение, поскольку он определяет биологическую и механическую функциональность ткани6,7,18.