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).
Funkcjonować jak serce
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.
Systematyczne skurcze i rozkurcze
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.
Dodatkowe stymulanty
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