Исследователи Гарвардского университета в сотрудничестве с коллегами из Университета Эмори разработали первую полностью автономную биогибридную рыбу из клеток сердечной мышцы, полученных из стволовых клеток человека. Искусственная рыба плавает, воссоздавая мышечные сокращения работающего сердца, что приближает исследователей на один шаг к разработке более сложного искусственного мышечного насоса и предоставляет платформу для изучения сердечных заболеваний, таких как аритмия.
«Наша конечная цель — построить искусственное сердце , чтобы заменить уродливое сердце у ребенка», — сказал Кит Паркер, профессор биоинженерии и прикладной физики семьи Тарр в Гарвардской школе инженерии и прикладных наук имени Джона А. Полсона (SEAS). старший автор статьи. «Большая часть работы по созданию сердечной ткани или сердец, включая некоторую работу, которую мы проделали, сосредоточена на воспроизведении анатомических особенностей или воспроизведении простого биения сердца в инженерных тканях.. Но здесь мы черпаем вдохновение для дизайна из биофизики сердца, что сделать сложнее. Теперь, 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 их в системе, в живой плавающей рыбе, где это гораздо легче увидеть. если мы добьемся успеха».
Исследование опубликовано в Science.
Биогибридная рыба, разработанная командой, основана на предыдущих исследованиях группы биофизики болезни Паркера. В 2012 году лаборатория использовала 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 этом исследовании команда создала первое автономное биогибридное устройство, изготовленное из кардиомиоцитов, полученных из стволовых клеток человека. Это устройство было вдохновлено формой и движением рыбки данио. В отличие от предыдущих устройств, биогибридная рыбка данио имеет два слоя мышечных клеток, по одному с каждой стороны хвостового плавника. Когда одна сторона сжимается, другая растягивается. Это растяжение запускает открытие механочувствительного белкового канала, который вызывает сокращение, которое запускает растяжение и так далее и тому подобное, что приводит к замкнутой системе, которая может продвигать рыбу более 100 дней.
«Используя сердечную механоэлектрическую передачу сигналов между двумя слоями мышц, мы воссоздали цикл, в котором каждое сокращение происходит автоматически в ответ на растяжение противоположной стороны», — сказал Кил Йонг Ли, научный сотрудник SEAS и соавтор. исследования. «Результаты подчеркивают роль механизмов обратной связи в мышечных насосах, таких как сердце».
Исследователи также разработали автономный узел кардиостимуляции, похожий на кардиостимулятор, который контролирует частоту и ритм этих спонтанных сокращений. Вместе два слоя мышц и автономный узел стимуляции позволяли генерировать непрерывные, спонтанные и скоординированные движения плавников вперед и назад.
Это первое автономное биогибридное устройство, изготовленное из кардиомиоцитов, полученных из стволовых клеток человека. Это устройство было вдохновлено формой и движением рыбки данио. В отличие от предыдущих устройств, биогибридная рыбка данио имеет два слоя мышечных клеток, по одному с каждой стороны хвостового плавника. Когда одна сторона сжимается, другая растягивается. Это растяжение запускает открытие механочувствительного белкового канала, который вызывает сокращение, которое запускает растяжение и так далее и тому подобное, что приводит к замкнутой системе, которая может продвигать рыбу более 100 дней. Авторы и права: Кил Йонг Ли, Сон-Джин Пак, Дэвид Г. Мэтьюз, Джордж Лаудер, Кевин Кит Паркер
«Благодаря двум внутренним механизмам стимуляции наша рыба может жить дольше, двигаться быстрее и плавать эффективнее, чем в предыдущей работе», — сказал Сунг-Джин Парк, бывший научный сотрудник группы биофизики болезней в SEAS и соавтор первого исследования. учиться. «Это новое исследование представляет собой модель для изучения механоэлектрической передачи сигналов в качестве терапевтической цели управления сердечным ритмом и для понимания патофизиологии дисфункций синоатриального узла и сердечной аритмии».
В настоящее время Парк является доцентом кафедры биомедицинской инженерии Коултера в Технологическом институте Джорджии и Медицинской школе Университета Эмори.
В отличие от рыбы в вашем холодильнике, эта биогибридная рыба улучшается с возрастом. Амплитуда мышечных сокращений, максимальная скорость плавания и координация мышц увеличивались в течение первого месяца по мере созревания клеток кардиомиоцитов. В конце концов, биогибридная рыба достигла скорости и эффективности плавания, подобных рыбкам данио в дикой природе.
Далее команда стремится создать еще более сложные биогибридные устройства из клеток человеческого сердца.
«Я мог бы построить модель сердца из пластилина Play-Doh, но это не значит, что я могу построить сердце », — сказал Паркер. «Вы можете вырастить несколько случайных опухолевых клеток в чашке, пока они не свернутся в пульсирующий комок, и назвать его сердечным органоидом. всю жизнь, одновременно перестраивая свои клетки на лету. В этом и есть проблема. Вот где мы идем работать».
Соавторами исследования были Дэвид Г. Мэтьюз, Шон Л. Ким, Карлос Антонио Маркес, Джон Ф. Циммерман, Херделин Энн М. Ардона, Андре Г. Клебер и Джордж В. Лаудер.
Теги: биотехнологии
