Ученые создали рыбу-робота из клеток сердца человека

«Рыба-робот» длиной чуть более сантиметра воссоздает мышечные сокращения человеческого сердца, чтобы двигать хвостовым плавником из стороны в сторону. Тело рыбы сделано из бумаги и пластика, но с обеих сторон располагаются две полоски живых клеток сердечной мышцы, которые и выполняют эти сокращения.

Устройство, которое с первого взгляда можно принять за настоящую рыбу, было вдохновлено формой и движениями рыбки данио. Помимо применения в области робототехники, ученые считают, что оно знаменует собой шаг к созданию искусственного сердца.

«Наша конечная цель — построить искусственное сердце, чтобы заменить деформированное сердце у ребенка», — сказал автор исследования Кит Паркер из Гарвардской школы инженерии и прикладных наук имени Джона А. Полсона.

«Большая часть работы по созданию сердечной ткани или сердец, ту, которую проделали мы, сосредоточена на воспроизведении анатомических особенностей или воспроизведении простого биения сердца в созданных тканях. Но в этом случае мы черпаем вдохновение для дизайна из биофизики сердца, что сделать сложнее, — продолжил Паркер. — Теперь, вместо того, чтобы использовать визуализацию сердца в качестве плана, мы определяем ключевые биофизические принципы, которые заставляют сердце работать, используем их в качестве конструкционного критерия и воспроизводим в системе, — в живой плавающей рыбе, — где гораздо проще увидеть, добились ли мы успеха».

Ученые создали биогибридную рыбу из кардиомиоцитов — клеток, ответственных за создание сократимости сердца, — полученных из стволовых клеток человека. В отличие от предыдущих устройств, биогибридная рыба имеет два слоя мышечных клеток, по одному с каждой стороны хвостового плавника. Когда одна сторона мышечных клеток сокращается, это заставляет клетки другой стороны растягиваться. Это растяжение запускает белок, который побуждает клетки сокращаться, что вызывает еще одно растяжение и так далее. По словам исследователей, эта «система с замкнутым циклом», не требующая постороннего вмешательства, способна поддерживать рыбу в движении более 100 дней.

Примечательно то, что по мере созревания клеток кардиомиоцитов амплитуда сокращения мышц рыбы, максимальная скорость плавания и координация мышц увеличивались в течение первого месяца. В итоге биогибридная рыба достигла скорости и эффективности плавания, сравнимой с рыбками данио в дикой природе, сообщают ученые.

Искусственное сердце, выращенное из стволовых клеток, может помочь людям с аритмиями — нарушением сердечного ритма, из-за которого оно бьется слишком медленно, слишком быстро или иным образом нерегулярно.

«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 соавтор исследования Кил Йонг Ли из Гарварда. —Результаты подчеркивают роль механизмов обратной связи в мышечных насосах, таких как сердце».

В будущем команда намерена создать еще более сложные биогибридные устройства из клеток человеческого сердца, которые будут максимально точно его имитировать.

«Я могу построить модель сердца из пластилина Play-Doh, но это не значит, что я могу построить сердце, — говорит Паркер. — Можно вырастить несколько опухолевых клеток в чашке, пока они не свернутся в пульсирующий комок, и назвать это сердечным органоидом. Ни одна из этих попыток не будет по замыслу воспроизводить физику системы, которая за всю вашу жизнь бьется более миллиарда раз, одновременно перестраивая свои клетки на лету. В том и сложность. С этим мы и работаем».

В 2012 году ученые под руководством Паркера использовали клетки сердечной мышцы крыс для создания биогибридного насоса, похожего на медузу. Четыре года спустя они разработали плавающего искусственного ската — также из клеток сердечной мышцы крысы.

Новое исследование, проведенное в сотрудничестве с учеными Университета Эмори, было опубликовано в журнале Science.