Il suo movimento è stato alimentato per più di tre mesi da cellule di tessuto cardiaco stimolate da un sistema di optogenetica, che combina tecniche ottiche e genetiche.

 

I ricercatori dell’Università di Harvard, in collaborazione con i colleghi della Emory University, hanno sviluppato il primo pesce bioibrido completamente autonomo da cellule muscolari cardiache derivate da cellule staminali umane.

Il pesce artificiale nuota ricreando le contrazioni muscolari di un cuore che pompa, portando i ricercatori un passo più vicino allo sviluppo di pompe muscolari artificiali complesse e fornendo una piattaforma per studiare malattie cardiache come l’aritmia.‎

‎”Il nostro obiettivo finale è quello di costruire un cuore artificiale per sostituire un cuore malformato in un bambino”, ha detto ‎‎Kit Parker‎‎, professore di bioingegneria e fisica applicata della famiglia Tarr presso la Harvard John A. Paulson School of Engineering and Applied Sciences (SEAS) e autore senior dell’articolo pubblicato ‎‎su Science‎‎. ‎

“La maggior parte del lavoro nella costruzione di tessuto cardiaco o cuori, incluso alcuni lavori che abbiamo fatto, si concentra sulla ‎‎replica delle caratteristiche anatomiche‎‎ o sulla replica del semplice ‎‎battito del cuore nei tessuti ingegnerizzati‎‎. Ma qui, stiamo traendo ispirazione dal design dalla biofisica del cuore, che è più difficile da fare. Stiamo identificando i principi biofisici chiave che fanno funzionare il cuore, usandoli come criteri di progettazione e replicandoli in un sistema, un pesce vivente e nuotatore, dove è molto più facile vedere se abbiamo successo rispetto all’uso dell’imaging cardiaco come modello”.‎

‎‎Il pesce bioibrido sviluppato dal team si basa su precedenti ricerche del Parker’s Disease Biophysics Group. Nel 2012, il laboratorio ha utilizzato cellule muscolari cardiache di ratti per costruire una ‎‎pompa bioibrida simile a una medusa‎‎ e nel 2016 i ricercatori hanno sviluppato una ‎‎pastinaca artificiale‎‎ nuotata anche da cellule del muscolo cardiaco di ratto.‎

‎In questa ricerca, il team ha costruito il primo dispositivo bioibrido autonomo realizzato con cardiomiociti derivati da cellule staminali umane. Questo dispositivo è stato ispirato dalla forma e dal movimento di nuoto di un pesce zebra.

A differenza dei dispositivi precedenti, il pesce zebra bioibrido ha due strati di cellule muscolari, uno su ciascun lato della pinna caudale. Quando una parte si contrae, l’altra si allunga. Questo allungamento innesca l’apertura di un canale proteico meccanosensibile, che provoca una contrazione, che innesca un allungamento, portando a un sistema a circuito chiuso che può spingere il pesce per più di 100 giorni. ‎

‎”Sfruttando la segnalazione meccano-elettrica cardiaca tra due strati di muscolo, abbiamo ricreato il ciclo in cui ogni contrazione risulta automaticamente come risposta allo stretching sul lato opposto”, ha detto Keel Yong Lee, un borsista post-dottorato presso SEAS e co-primo autore dello studio.

‎I ricercatori hanno anche progettato un nodo di stimolazione autonomo, come un pacemaker, che controlla la frequenza e il ritmo di queste contrazioni spontanee. Insieme, i due strati di muscolo e il nodo di stimolazione autonomo hanno permesso la generazione di movimenti continui, spontanei e coordinati, avanti e indietro delle pinne.‎

‎”A causa dei due meccanismi di stimolazione interni, i nostri pesci possono “vivere” più a lungo, muoversi più velocemente e nuotare in modo più efficiente rispetto al lavoro precedente”, ha detto Sung-Jin Park, ex borsista post-dottorato nel Disease Biophysics Group di SEAS e co-primo autore dello studio.

“Questa nuova ricerca fornisce un modello per studiare la segnalazione meccano-elettrica come bersaglio terapeutico della gestione del ritmo cardiaco e per comprendere la fisiopatologia nelle disfunzioni del nodo senoatriale e nell’aritmia cardiaca”.‎

‎‎Il pesce bioibrido inoltre migliora con l’età. La sua ampiezza di contrazione muscolare, la massima velocità di nuoto e la coordinazione muscolare sono aumentate per il primo mese man mano che le cellule dei cardiomiociti maturavano. Alla fine, il pesce bioibrido ha raggiunto velocità ed efficacia di nuoto simili al pesce zebra in natura. ‎

‎Successivamente, il team mira a costruire dispositivi bioibridi ancora più complessi da cellule cardiache umane. ‎

 

 

 

Crediti: Michael Rosnach, Keel Yong Lee, Sung-Jin Park, Kevin Kit Parker

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