На пути к созданию искусственного сердца, исследователи Гарвардского университета в сотрудничестве с коллегами из Университета Эмори разработали совершенно автономного биогибрида. Он представляет собой маленькую рыбку, сделанную с использованием клеток сердечной мышцы, полученных из стволовых клеток человека. Искусственная рыбка плавает за счет тех же мышечных сокращений, что и бьющееся сердце. Она служит в качестве платформы для изучения различных заболеваний, таких, как аритмия. И может самостоятельно передвигаться в течение 100 дней. Научная работа опубликована в журнале Science.
«Большая часть работы по созданию сердечной ткани или сердец, сосредоточена на воспроизведении анатомических особенностей или простого биения сердца в инженерных тканях. Мы же почерпнули вдохновение для дизайна из биофизики сердца, что сделать сложнее. Вместо того, чтобы использовать изображение сердца в качестве плана, мы определяем ключевые биофизические принципы, которые заставляют сердце работать, используя их в качестве критериев проектирования и воспроизводя в системе, плавающей рыбке, за счет которой это гораздо легче увидеть», — отметил Кит Паркер, старший автор научной статьи и профессор биоинженерии и прикладной физики семьи Тарр в Гарвардской школе инженерии и прикладных наук имени Джона А. Полсона (SEAS).
Биогибрид, разработанный командой ученых, основан на предыдущих исследованиях болезней сердца группы биофизиков во главе с Паркером. В 2012 году использовали клетки сердечной мышцы крысы для создания биогибридного насоса, похожего на медузу, а в 2016 году исследователи разработали плавающего искусственного ската, также из клеток сердечной мышцы крысы.
В новом исследовании команда создала первое автономное биогибридное устройство, похожее на рыбку данио-рерио, с применением кардиомиоцитов, полученных из стволовых клеток человека. У него два слоя мышечных клеток, по одному с каждой стороны хвостового плавника. Когда одна сокращается, то другая — растягивается. Растяжение вызывает открытие механочувствительного белкового канала, вызывающего сокращение, которое вызывает растяжение и так далее. Это приводит к замкнутой системе, и рыбка может плавать так более 100 дней.
«Используя сердечную механоэлектрическую передачу сигналов, мы воссоздали взаимное сокращение и расслабление в мышечной двухслойной конструкции, где каждое сокращение происходит автоматически в ответ на растяжение пары мышц-антагонистов. Кроме того, мы разработали электрически автономный узел стимуляции, который усиливает спонтанное сокращение», — сказано в научной статье.
Автономный узел кардиостимуляции, похожий на кардиостимулятор для работы сердца, контролирует частоту и ритм спонтанных сокращений. Вместе два слоя мышц и автономный узел стимуляции генерируют непрерывные и скоординированные движения плавника.
При этом биогибридная рыбка с течением времени плавала все лучше. Амплитуда мышечных сокращений, максимальная скорость передвижения и координация мышц увеличивались в течение первого месяца по мере созревания клеток кардиомиоцитов. В конце концов, устройство достигло скорости и эффективности плавания, как у живой рыбки данио.
Теперь команда исследователей хочет создать более сложные биогибридные устройства из клеток человеческого сердца.