Electrical Stimulation and MXene in Skeletal Muscle Modelling

Abstract

Skeletal muscle plays an important role in metabolism, locomotion, and posture in the human body. Its function and communication with other organs can be affected by exercise and diseases. To better study these relations and skeletal muscle function, tissue engineering strategies can be utilized to produce skeletal muscle models. Usually, skeletal muscle is studied in animal models or by animal-derived cells and components which do not fully represent the situation in humans. Therefore, human-based models are needed. When building an in vitro model, vasculature can be added to improve oxygen and nutrient supply for the cells. Vasculature can also promote tissue regeneration. Electrical stimulation is known to improve skeletal muscle maturation. It can be applied to in vitro muscle models and to improve its effect, electroconductive materials can be utilized. In this work, a human based two-dimensional vascular skeletal muscle model was studied. Electrical stimulation was directed via electroconductive MXene coating which acted as the cell substrate. First the suitability of the material for the cells was ensured and conductivity of MXene was evaluated with impedance measurements. Then an electrical stimulation set up was built and used for studying both vascularized and non-vascularized human based skeletal muscle models in two different mediums. Results were evaluated by qualitative analysis based on image analysis and quantitative analysis was applied where numerical data was obtained. MXene supported cell attachment and cell viability. Moreover, based on conductivity analysis it can be used for delivering electrical stimulation. Electrical stimulation experiments showed that electrical stimulation inhibited vasculature formation in human serum medium. In other conditions vasculature formed similarly to each other. Moreover, increased vascularization did not boost skeletal muscle maturation. The skeletal muscle cells in human serum medium showed more maturation under electrical stimulation. Whereas, in Ultroser® G medium the maturation was not different under electrical stimulation. The effect of electrical stimulation on vascularized skeletal muscle model showed different results in different mediums. The Ultroser® G medium seemed to support more vascular formation than skeletal muscle maturation both under and without electrical stimulation. However, the effect of MXene on the electrical stimulation is not fully understood so it is not known how the cells felt the stimulation. To my knowledge this is the first study to investigate the effect of electrical stimulation on in vitro vascularized skeletal muscle model.

Luustolihaksilla on tärkeä rooli ihmiskehon aineenvaihdunnassa, liikkeen tuottamisessa ja asennon ylläpidossa. Liikunta ja sairaudet voivat vaikuttaa niiden toimintaan ja kommunikointiin muiden elinten kanssa. Näiden suhteiden ja luustolihasten toiminnan tutkimiseksi, voidaan kehittää luurankolihasmalleja käyttäen kudosteknologian menetelmiä. Yleensä luustolihaksia tutkitaan eläinmalleilla tai eläinperäisillä soluilla ja komponenteilla, jotka eivät täysin edusta ihmiskehon tilannetta. Siksi tarvitaan ihmislähtöisiä malleja. Lisäämällä verisuonitusta in vitro -malleihin solujen hapen ja ravinteiden saantia voidaan parantaa. Verisuonitus voi myös edistää kudosten uusiutumista. Sähköstimulaation tiedetään parantavan luustolihasten kypsymistä, joten sitä voidaan hyödyntää in vitro -lihasmalleissa. Käyttämällä lisäksi sähköä johtavia materiaaleja, stimulaation vaikutusta voidaan vahvistaa. Tässä työssä tutkittiin ihmisperäistä kaksiulotteista verisuonitettua luurankolihasmallia. Mallissa käytettiin sähköstimulaatiota, joka ohjattiin kasvualustana toimineen sähköä johtavan MXene-pinnoitteen kautta. Ensin materiaalin sopivuus soluille varmistettiin ja MXenen johtavuus arvioitiin impedanssimittauksilla. Tämän jälkeen rakennettiin sähköstimulaatiolaite, jota käytettiin sekä verisuonitettujen että verisuonittamattomien ihmisperäisten luustolihasmallien stimuloimiseen kahdessa eri solumeediumissa. Tulokset arvioitiin kvalitatiivisesti, perustuen kuva-analyysiin, sekä kvantitatiivisesti niiltä osin, jolloin numeerisia tuloksia oli saatavilla. MXene tuki solujen kiinnittymistä sekä elinkelpoisuutta. Lisäksi johtokykykokeen perusteella, se on sopiva materiaali käytettäväksi sähköstimulaation antamiseen. Sähköstimulaatiokokeiden perusteella voidaan sanoa, että sähköstimulaatio esti verisuonten muodostumista ihmisen seerumi -meediumissa. Muissa olosuhteissa muodostuneet verisuonitukset olivat keskenään samankaltaisia. Lisäksi näiden kokeiden perusteella voidaan sanoa, ettei verisuonitus edistänyt luustolihasten kypsymistä. Ihmisen seerumi -mediumissa sähköstimulaatio edisti luustolihassolujen kypsymistä verrattuna stimuloimattomaan kontrolliin. Sen sijaan Ultroser® G -meediumissa sähköstimulaatio ei parantanut luustolihassolujen kypsymistä. Sähköstimulaation vaikutus verisuonitettuun luustolihasmalliin vaihteli käytetyn meediumin mukaan. Ultroser® G -meedium vaikutti edistävän paremmin verisuonituksen muodostumista kuin luurankolihasten kypsymistä, niin sähköstimulaation alaisena kuin ilman sitä. MXenen kokonaisvaikutusta sähköstimulaatiosignaalin ei kuitenkaan täysin tiedetä, joten ei ole varmaa, miten MXene vaikutti solujen saamaan signaaliin. Tämä tutkimus oli tiettävästi ensimmäinen in vitro -koe, jossa tutkittiin sähköstimulaation vaikutusta verisuonitettuun luustolihasmalliin.