Naukowcy stworzyli sztuczną rybę z ludzkich komórek serca. Syntetyczna ryba posiada ogon, który rytmicznie porusza się z boku na bok, a ruch ten napędzany jest skurczami mięśnia sercowego. Ten pomysłowy robot może pływać w rytm bicia serca przez ponad 100 dni. Praca ta zbliża badaczy o krok do opracowania bardziej złożonej sztucznej pompy mięśniowej i zapewnia platformę do badania chorób serca, takich jak arytmia.
Ryba-robot napędzana komórkami serca została opracowana przez naukowców z uniwersytetów Harvarda i Emory. Wynalazcy wiążą duże nadzieje z tym dziwacznym, małym urządzeniem, składającym się z żywych komórek mięśnia sercowego (kardiomiocytów) wyhodowanych z ludzkich komórek macierzystych. Stworzenie „biohybrydowej” ryby koncentruje się na dwóch kluczowych cechach regulacyjnych naszych serc: ich zdolności do funkcjonowania bez potrzeby świadomego udziału (automatyzm); oraz przekazywaniu informacji inicjowanych przez ruch mechaniczny (sygnalizacja mechaniczno-elektryczna).
Naukowcy mają nadzieję, że dzięki syntetycznej rybie lepiej poznają mechanizmy stojące za chorobami serca. - Naszym ostatecznym celem jest zbudowanie sztucznego serca, które zastąpiłoby chore serce u dziecka - mówi bioinżynier Kevin Kit Parker z Uniwersytetu Harvarda.
Wyniki badań zostały opublikowane w magazynie „Science” (DOI: 10.1126/science.abh0474).
Stworzenie struktury, która wygląda jak serce jest dość proste, przekonują uczeni. Jednak opracowanie czegoś, co rzeczywiście funkcjonuje jak serce, jest znacznie trudniejszym wyzwaniem. Syntetyczna ryba stanowi duży krok w tym kierunku. Przy jej tworzeniu naukowcy bazowali na wcześniejszych pracach z wykorzystaniem mięśni serca szczurów do budowy pompy biohybrydowej meduzy i płaszczki.
- Możemy zbudować model serca z plasteliny, ale to nie znaczy, że możemy zbudować serce - wyjaśnia Parker. - Można hodować w naczyniu kilka przypadkowych komórek nowotworowych, aż zamienią się w pulsującą bryłę i nazwać to organoidem sercowym. Żadna z tych prób nie jest jednak w stanie odtworzyć fizyki systemu. Nasze serca biją ponad miliard razy w ciągu życia, a jednocześnie na bieżąco odbudowują swoje komórki – tłumaczy badacz.
Dzięki dwóm warstwom kardiomiocytów po każdej stronie płetwy ogonowej, biohybrydowa ryba jest zbudowana tak, aby była autonomiczna - może sama utrwalać swój ruch.
Kiedy jedna strona pletwy mocno się zaciska, druga zostaje rozciągnięta, uruchamiając mechanizm sprzężenia zwrotnego. Powoduje on, że rozciągnięta część kurczy się, a następnie uruchamia ten sam mechanizm po drugiej stronie. I tak w kółko. Innymi słowy, gdy mięśnie z jednej strony płetwy ogonowej kurczą się, mięśnie z drugiej strony rozkurczają się. Ten asynchroniczny system skurczów mięśni jest wzorowany na mięśniach lotnych owadów.
Fizyczne zginanie jest ruchem mechanicznym, który aktywuje sygnał elektryczny tworzący kanały jonowe w mięśniach. To właśnie kanały jonowe wyzwalają mięśnie do aktywacji i skurczu.
Ekspozycja ryby na streptomycynę i gadolin – substancje znane z zaburzania kanałów jonowych w mięśniach - zakończyła się zmniejszeniem prędkości pływania i przerwaniem zależności między mechanicznym rozciąganiem i wyzwalaniem kolejnego skurczu po drugiej stronie. Potwierdziło to, że kanały jonowe są rzeczywiście zaangażowane w rytmiczne skurcze.
- Wykorzystując mechaniczno-elektryczną sygnalizację sercową pomiędzy dwiema warstwami mięśni, odtworzyliśmy cykl, w którym każdy skurcz powstaje automatycznie jako odpowiedź na rozciąganie po przeciwnej stronie – wyjaśnia bioinżynier z Uniwersytetu Harvarda, Keel Yong Lee. – Wyniki naszych badań podkreślają rolę mechanizmów sprzężenia zwrotnego w pompach mięśniowych, takich jak serce – dodaje.
Naukowcom udało się również zintegrować z biohybrydową rybą system przypominający rozrusznik serca. Było to izolowane skupisko komórek, które kontrolują częstotliwość i koordynację ruchów płetwy.
- Dzięki dwóm wewnętrznym mechanizmom stymulującym, nasze ryby mogą żyć dłużej, poruszać się szybciej i pływać bardziej wydajnie - mówi biofizyk Sung-Jin Park, współtwórca badania.
Skurcze tkanek biohybrydowej ryby są bardziej efektywne w napędzaniu małych urządzeń, niż mechaniczne systemy robotyczne.
Zamiast wykorzystywać obrazowanie serca jako wzór, identyfikujemy kluczowe zasady biofizyczne, które sprawiają, że serce działa, wykorzystujemy je jako kryteria projektowe i replikujemy je - wyjaśnia Parker.
Źródło: Harvard University, fot. Michael Rosnach, Keel Yong Lee, Sung-Jin Park, Kevin Kit Parker
