Istraživači sa Sveučilišta Harvard, u suradnji s kolegama sa Sveučilišta Emory, razvili su prvu potpuno autonomnu biohibridnu ribu iz stanica srčanog mišića dobivenih iz ljudskih matičnih stanica. Umjetna riba pliva rekreirajući mišićne kontrakcije srca koje pumpa, dovodeći istraživače korak bliže razvoju složenije umjetne mišićne pumpe i pružajući platformu za proučavanje bolesti srca poput aritmije.
“Naš krajnji cilj je izgraditi umjetno srce koje će zamijeniti deformirano srce djeteta”, rekao je Kit Parker , profesor bioinženjeringa i primijenjene fizike iz obitelji Tarr na Harvard John A. Paulson School of Engineering and Applied Sciences (SEAS) i viši autor rada. “Većina posla u izgradnji srčanog tkiva ili srca, uključujući dio posla koji smo obavili, usmjerena je na repliciranje anatomskih značajki ili repliciranje jednostavnog otkucaja srca u projektiranom tkivu. Ali ovdje inspiraciju za dizajn crpimo iz biofizike srca, što je teže učiniti. Sada, umjesto da koristimo sliku srca kao nacrt, identificiramo ključne biofizičke principe koji pokreću rad srca, koristeći ih kao kriterij dizajna i replicirajući ih u sustavu, živoj ribi koja pliva, gdje je puno lakše vidjeti ako budemo uspješni.”
Istraživanje je objavljeno u časopisu Science.
Biohibridna riba koju je razvio tim temelji se na prethodnim istraživanjima Parker’s Disease Biophysics Group. U 2012. laboratorij je koristio stanice srčanog mišića štakora za izgradnju biohibridne pumpe nalik meduzi, a 2016. istraživači su razvili plivajuću, umjetnu ražu također od stanica srčanog mišića štakora.
U ovom istraživanju, tim je napravio prvi autonomni biohibridni uređaj napravljen od kardiomiocita izvedenih iz ljudskih matičnih stanica. Ovaj je uređaj inspiriran oblikom i pokretom plivanja ribe zebre. Za razliku od prethodnih uređaja, biohibridna zebrica ima dva sloja mišićnih stanica, po jedan sa svake strane repne peraje. Kada se jedna strana steže, druga se rasteže. To rastezanje pokreće otvaranje mehanoosjetljivog proteinskog kanala, što uzrokuje kontrakciju, koja pokreće istezanje i tako dalje i tako dalje, što dovodi do zatvorenog sustava petlje koji može pokretati ribu više od 100 dana.
“Upotrebom srčanog mehano-električnog signaliziranja između dva sloja mišića, ponovno smo stvorili ciklus u kojem svaka kontrakcija rezultira automatski kao odgovor na istezanje na suprotnoj strani”, rekao je Keel Yong Lee, postdoktorand na SEAS-u i suautor studije. “Rezultati naglašavaju ulogu mehanizama povratne sprege u mišićnim pumpama kao što je srce.”
Istraživači su također konstruirali autonomni pacing čvor, poput pacemakera, koji kontrolira učestalost i ritam ovih spontanih kontrakcija. Zajedno, dva sloja mišića i autonomni pacing čvor omogućili su stvaranje kontinuiranih, spontanih i koordiniranih pokreta peraja naprijed-natrag.
“Zbog dva unutarnja mehanizma pacinga, naše ribe mogu živjeti dulje, kretati se brže i plivati učinkovitije od prethodnih radova”, rekao je Sung-Jin Park, bivši postdoktorand u Grupi za biofiziku bolesti pri SEAS-u i suautor prvog studija. “Ovo novo istraživanje pruža model za istraživanje mehano-električnog signaliziranja kao terapeutskog cilja upravljanja srčanim ritmom i za razumijevanje patofiziologije kod disfunkcija sinoatrijalnog čvora i srčane aritmije.”
Park je trenutno docent na Coulterovom odjelu za biomedicinsko inženjerstvo na Georgia Institute of Technology i Emory University School of Medicine.
Za razliku od ribe u vašem hladnjaku, ova biohibridna riba postaje sve bolja s godinama. Amplituda njene mišićne kontrakcije, maksimalna brzina plivanja i mišićna koordinacija povećavali su se tijekom prvog mjeseca kako su stanice kardiomiocita sazrijevale. Na kraju je biohibridna riba postigla brzinu i učinkovitost plivanja sličnu zebrici u divljini.
Zatim, cilj tima je izgraditi još složenije biohibridne uređaje od stanica ljudskog srca.
“Mogao bih napraviti model srca od Play-Doha, ali to ne znači da mogu napraviti srce”, rekao je Parker. “Možete uzgojiti neke nasumične tumorske stanice u posudi dok se ne zgrušaju u pulsirajuću kvržicu i nazvati to srčanim organoidom. Nijedan od tih pokušaja neće, prema dizajnu, rekapitulirati fiziku sustava koji otkuca više od milijardu puta tijekom vašeg života dok istovremeno obnavlja svoje stanice u hodu. To je izazov. Tu idemo raditi.”
Istraživanje su koautori David G. Matthews, Sean L. Kim, Carlos Antonio Marquez, John F. Zimmerman, Herdeline Ann M. Ardona, Andre G. Kleber i George V. Lauder.
Djelomično su ga podržali National Institutes of Health National Center for Advancing Translational Sciences grant UH3TR000522 i National Science Foundation Materials Research Science and Engineering Center grant DMR-142057
