come attivare i sottotitoli in italiano

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, avvicinando i ricercatori allo sviluppo di una pompa muscolare artificiale più complessa e fornendo una piattaforma per studiare le malattie cardiache come l'aritmia.

"Il nostro obiettivo finale è costruire un cuore artificiale per sostituire un cuore malformato in un bambino", ha affermato  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 del documento. "La maggior parte del lavoro nella costruzione del tessuto o dei cuori del cuore, compresi alcuni lavori che abbiamo svolto, si concentra sulla  replica delle caratteristiche anatomiche  o sulla replica del semplice  battito del cuore nei tessuti ingegnerizzati. Ma qui, traiamo ispirazione dal design dalla biofisica del cuore, che è più difficile da fare. Ora, invece di usare l'imaging cardiaco come modello, stiamo identificando i principi biofisici chiave che fanno funzionare il cuore, usandoli come criteri di progettazione e replicandoli in un sistema, un pesce vivente che nuota, dove è molto più facile da vedere se avremo successo”.

La ricerca è pubblicata su Science . 

Il pesce bioibrido sviluppato dal team si basa sulla ricerca precedente del Parker's Disease Biophysics Group. Nel 2012, il laboratorio ha utilizzato le cellule muscolari cardiache dei ratti per costruire una pompa bioibrida simile a una medusa e nel 2016 i ricercatori hanno sviluppato una pastinaca artificiale che nuota anche dalle cellule muscolari del cuore dei ratti.

Un alambicco della medusa artificiale che "nuota" in un contenitore di acqua salata simile a un oceano. Nota: il colore e il contrasto della medusa artificiale sono stati migliorati digitalmente per facilitarne la visualizzazione. (Immagine per gentile concessione dell'Università di Harvard e del Caltech.)

Una pastinaca artificiale anche da cellule muscolari cardiache di ratto. (Credit: Disease Biophysics Group/Harvard SEAS)  

In questa ricerca, il team ha costruito il primo dispositivo bioibrido autonomo a base di 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. Quel tratto innesca l'apertura di un canale proteico meccanosensibile, che provoca una contrazione, che innesca un allungamento e così via, 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 muscoli, abbiamo ricreato il ciclo in cui ogni contrazione risulta automaticamente come risposta allo stiramento sul lato opposto", ha affermato Keel Yong Lee, borsista post-dottorato presso SEAS e co-primo autore dello studio. "I risultati evidenziano il ruolo dei meccanismi di feedback nelle pompe muscolari come il cuore".

Pesce bioibrido all'amo (Photo credit a Michael Rosnach, Keel Yong Lee, Sung-Jin Park, Kevin Kit Parker)

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 muscolari e il nodo di stimolazione autonomo hanno consentito la generazione di movimenti della pinna avanti e indietro continui, spontanei e coordinati.

"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 affermato Sung-Jin Park, ex borsista post-dottorato nel Disease Biophysics Group presso SEAS e co-primo autore del studia. "Questa nuova ricerca fornisce un modello per studiare la segnalazione meccano-elettrica come obiettivo terapeutico della gestione del ritmo cardiaco e per comprendere la fisiopatologia nelle disfunzioni del nodo senoatriale e nell'aritmia cardiaca".

Park è attualmente professore assistente presso il Dipartimento di ingegneria biomedica di Coulter presso il Georgia Institute of Technology e la Emory University School of Medicine.

A differenza di un pesce nel tuo frigorifero, questo pesce bioibrido migliora con l'età. La sua ampiezza di contrazione muscolare, la velocità massima di nuoto e la coordinazione muscolare sono aumentate per il primo mese con la maturazione delle cellule dei cardiomiociti. 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. 

"Potrei costruire un cuore modello con Play-Doh, non significa che posso costruire un cuore", ha detto Parker. “Puoi far crescere alcune cellule tumorali casuali in un piatto fino a quando non si coagulano in un nodulo palpitante e lo chiamano organoide cardiaco. Nessuno di questi sforzi, in base alla progettazione, ricapitolerà la fisica di un sistema che batte oltre un miliardo di volte durante la tua vita e contemporaneamente ricostruisce le sue cellule al volo. Questa è la sfida. È lì che andiamo a lavorare".

La ricerca è stata co-autrice di David G. Matthews, Sean L. Kim, Carlos Antonio Marquez, John F. Zimmerman, Herdeline Ann M. Ardona, Andre G. Kleber e George V. Lauder. 

È stato sostenuto in parte dal National Institutes of Health National Center for Advancing Translational Sciences concede UH3TR000522 e dal National Science Foundation Materials Research Science and Engineering Center DMR-142057

Fonte: seas.harvard.edu