פיתוח של רובוטים ביולוגיים בעלי חוט שדרה מתַפְקֵד יסייע בחקר של מחלות ניוון שרירים ואולי אף בפיתוח תותבות ביולוגיות
התנועות המורכבות של בעלי חוליות, משחייה וריצה ועד לתעופה או הקלדה במחשב, נשלטות בעיקר על ידי רשתות עצבים הנפרשות בין גזע המוח לחוט השדרה. חוט השדרה מקבל הוראות מן המוח בקשר להפקת התנועות דרך גזע המוח, אך הוא מסוגל גם לייצר דפוסי תנועה בשרירים בכוחות עצמו. חוקרים ומדענים מנסים לחקות את פעילותו של חוט השדרה, דבר שיעזור להם ליצור רובוטים ביולוגיים בעלי מערכת שרירים פעילה.
אחד המכשולים לפיתוח רובוטים כאלו הוא העובדה ששרירים זקוקים לאות מתא עצב כדי להתכווץ. מחקרים רבים ניסו לעקוף את הצורך הזה, ולגרום לתאי שריר להתכווץ במבחנה באמצעות מנגנוני בקרה חיצוניים כמו השריית שדה חשמלי, אופטו-גנטיקה או גירוי כימי. אך התוצאות לא היו חיקוי טוב מספיק של התכווצות השריר הטבעית. כיוון נוסף הוא לספק לרובוטים את מערכת העצבים דרושה שלהם, כלומר את חוט השדרה. נעשו ניסיונות לגרום לתאי גזע להתמיין במעבדה וליצור חוט שדרה מתפקד, אך שיטות אלה עודן בחיתוליהן, וכרגע איננו מסוגלים לשחזר מערכת תאית מורכבת שכזאת.
תגדלו חוט שדרה!
כדי להתגבר על מכשול זה, צוות חוקרים מאוניברסיטת אילינוי בארצות הברית פיתח רובוט ביולוגי המורכב מתאי שריר שמקורם בעכבר, שמופעלים על ידי חוט שדרה של חולדות. תוצאות המחקר פורסמו בכתב העת המדעי APL Bioengineering. הרובוט הביולוגי, המכונה "ספיינובוט" (Spinobot, שילוב של חוט שדרה, Spinal cord, ורובוט), כולל גם שלד תלת-ממדי של זרועות הבנוי מחומר הנקרא הידרוג'ל, פולימר סינתטי המיוצר בטכניקה של הדפסה תלת-ממדית.
הספיינובוט, עם זרועות מהידרוג'ל ותאי שריר שמקורם בעכבר, מעוצבב בעזרת עמוד שדרה של חולדה | קרדיט: Collin Kaufman
בשלב הראשון גידלו החוקרים את תאי השריר במעבדה ביחד עם השלד התלת-ממדי. בתוך עשרה ימים של גידול בצלחת, תאי השריר גדלו סביב השלד ונקשרו אליו. בשלב זה הוסיפו להם החוקרים חוט שדרה שבודד מחולדות. האתגר הגדול ביותר שניצב בפני החוקרים היה למצוא דרך לגדל את חוט השדרה מחוץ לגוף כך שייווצרו קשרים עצביים בין תאי העצב שיוצאים ממנו ובין תאי השריר העכבריים. בחינה תחת המיקרוסקופ הראתה שהם הצליחו לעמוד באתגר, ואכן נוצרו סינפסות, אזורי תקשורת, בין תאי העצב לתאי השריר.
בשלב הבא בדקו החוקרים אם חוט השדרה מסוגל לשלוח לתאי השריר אותות להתכווץ, וכך להניע את השלד התלת-ממדי של הזרועות. החוקרים מדדו את כוח הכיווץ של השרירים בעזרת אלקטרודות שעקבו אחר האותות החשמליים מהתאים, וכן תיעדו את תזוזת הזרועות בעזרת מצלמת וידאו. הניסוי הראה שחוט השדרה, בלי לקבל שום גירוי מבחוץ, שלח לשרירים הוראה להתכווץ וכך גרם לזרועות להתקרב זו לזו.
כדי לראות אם יוכלו להגביר את האותות האלה, הוסיפו החוקרים לצלחת מוליך עצבי בשם גלוטמט. מוליכים עצביים כגון גלוטמט מעורבים בתקשורת בין תאי עצב, וכן בתקשורת בין תאי עצב לשרירים. ואכן, החוקרים מצאו כי הוספת הגלוטמט הגבירה את התכווצות תאי השריר במערכת הניסוי. לעומת זאת, כאשר הוסיפו לצלחת גלוטמט וגם מולקולה המעכבת את קישור הגלוטמט לתאים, התכווצות השרירים ותזוזת הזרועות פסקו כמעט לחלוטין.
כיום קשה מאוד לחקור תהליכים המתרחשים בעצבי חוט השדרה שמהם מורכבת מערכת העצבים ההיקפית, אפילו בחיות מעבדה. החוקרים סבורים שהספיינובוט יכול לסייע בכך, ולהיות כלי מצוין לחקר ההתפתחות של מחלות ניוון שרירים כמו ALS (טרשת אמיוטרופית צידית, Amyotrophic Lateral Sclerosis), מחלת דושן ו- Spinal Muscular Atrophy) SMA). הספיינובוט אף עשוי לסייע בעתיד בבדיקת תרופות או טיפולים חדשים למחלות אלו.
בנוסף, החוקרים מקווים שהמחקר יהיה צעד ראשון בפיתוח סוג חדש לגמרי של ידיים ורגליים תותבות. אך כדי לממש את כיוון המחקר הזה, צריך תחילה לגדל במעבדה חוט שדרה מתאים אנושיים, והדרך לשם עוד ארוכה.
