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L’appareil donne un aperçu des pompes musculaires artificielles, une étape vers la construction d’un cœur artificiel.
Des chercheurs de Harvard, en collaboration avec des collègues de l’Université Emory, ont développé le premier poisson hybride biologique complètement indépendant à partir de cardiomyocytes dérivés de cellules souches humaines. Le poisson artificiel nage en recréant les contractions des muscles cardiaques battants, rapprochant les chercheurs du développement d’une pompe musculaire artificielle plus complexe et fournissant une plate-forme pour l’étude des maladies cardiaques telles que les arythmies.
Le premier poisson hybride biologique totalement indépendant de cardiomyocytes dérivés de cellules souches humaines. Crédit : Michael Rosnach, Kil Young Lee, Sung Jin Park, Kevin Kate Parker
Kate Parker, professeur de la famille Tarr de bioingénierie et de physique appliquée à Harvard John A. Premier auteur de l’article. La plupart des travaux sont axés sur la construction de tissus cardiaques ou de cœurs, y compris certains que nous avons réalisés Répétition des traits anatomiques Ou répéter de simples battements du cœur dans le tissu artificiel. Mais ici, nous nous inspirons de la conception de la biophysique du cœur, ce qui est difficile à faire. Maintenant, au lieu d’utiliser l’imagerie du cœur comme modèle, nous identifions les principes biophysiques clés qui font fonctionner le cœur, les utilisons comme critères de conception et les itérons dans un système, un poisson vivant, nageant, où il est plus facile de voir si nous réussissons. »
La recherche a été publiée dans La science.
Le poisson bio-hybride développé par l’équipe s’appuie sur des recherches antérieures du Parker’s Disease Biophysics Group. En 2012, le laboratoire a utilisé des cellules musculaires cardiaques de souris pour construire une pompe hybride biologique ressemblant à une méduse, et en 2016, les chercheurs ont développé une nage, Raie synthétique Également à partir de cellules musculaires cardiaques de rat.
Dans cette recherche, l’équipe a construit le premier dispositif bio-hybride autonome fabriqué à partir de cardiomyocytes dérivés de cellules souches humaines. Cet appareil s’inspire de la forme d’un poisson zèbre et du mouvement de nage. Contrairement aux organes précédents, le poisson zèbre possède deux couches de cellules musculaires, une de chaque côté de la nageoire caudale. Quand un côté se contracte, l’autre s’étend. Cet étirement ouvre un canal protéique mécaniquement sensible, provoquant une contraction, provoquant une dilatation et ainsi de suite, résultant en un système en boucle fermée qui peut propulser le poisson pendant plus de 100 jours.
Il s’agit du premier dispositif hybride bio-indépendant fabriqué à partir de cardiomyocytes dérivés de cellules souches humaines. Cet appareil s’inspire de la forme d’un poisson zèbre et du mouvement de nage. Contrairement aux organes précédents, le poisson zèbre possède deux couches de cellules musculaires, une de chaque côté de la nageoire caudale. Quand un côté se contracte, l’autre s’étend. Cet étirement ouvre un canal protéique mécaniquement sensible, provoquant une contraction, provoquant une dilatation et ainsi de suite, résultant en un système en boucle fermée qui peut propulser le poisson pendant plus de 100 jours. Crédit : Kel Young Lee, Sung Jin Park, David J Matthews, George Lauder, Kevin Kate Parker
Kel-Young Lee, boursier postdoctoral SEAS et co-premier auteur de l’étude a déclaré. « Les résultats mettent en évidence le rôle des mécanismes de rétroaction dans les pompes musculaires telles que le cœur. »
Les chercheurs ont également conçu un nœud autonome, tel qu’un stimulateur cardiaque, qui contrôle la fréquence et le rythme de ces contractions automatiques. Ensemble, les deux couches musculaires et le nœud de régolithe indépendant ont permis la génération de mouvements de va-et-vient continus, spontanés et coordonnés des nageoires.
a déclaré Sung-Jin Park, ancien boursier postdoctoral du groupe de biophysique des maladies de SEAS et co-premier auteur de l’étude. « Cette nouvelle recherche fournit un modèle pour étudier les signaux mécaniques et électriques en tant que cible thérapeutique pour la gestion du rythme cardiaque et comprendre la physiopathologie des dysfonctionnements et des arythmies du nœud SA. »
Schémas de poissons bio-hybrides nageant indépendamment. Crédit : Michael Rosnach, Kil Young Lee, Sung Jin Park, Kevin Kate Parker
Park est actuellement professeur adjoint au département Coulter de génie biomédical du Georgia Institute of Technology et de la faculté de médecine de l’Université Emory.
Contrairement aux poissons de votre réfrigérateur, ces poissons bio-hybrides se bonifient avec l’âge. L’amplitude de la contraction musculaire, la vitesse de nage maximale et la coordination musculaire ont augmenté au cours du premier mois à mesure que les cardiomyocytes mûrissaient. En fin de compte, le poisson bio-hybride a atteint des vitesses et une efficacité de nage comparables au poisson zèbre à l’état sauvage.
Ensuite, l’équipe vise à construire des dispositifs bio-hybrides plus complexes à partir de cellules cardiaques humaines.
« Je peux construire un cœur Play-Doh typique, cela ne signifie pas que je peux construire un cœur », a déclaré Parker. Vous pouvez faire pousser des cellules cancéreuses aléatoires dans un plat jusqu’à ce qu’elles coagulent en une masse pulsante et l’appellent l’organite du cœur. Aucun de ces efforts, par conception, ne récapitulera la physique d’un système qui excelle plus d’un milliard de fois au cours de votre vie tout en reconstruisant simultanément ses cellules à la volée. C’est le défi. C’est ici que nous allons travailler. »
Référence : « Un poisson biologique hybride nageur autonome conçu à l’aide de la biophysique du cœur humain » par Kel Young Lee, Sung Jin Park, David J. Matthews, Sean L. Kim, Carlos Antonio Marquez, John F. Zimmerman, Herdelin Ann M. J. Kleber, George F. Lauder et Kevin Kate Parker, 10 février 2022, Science.
DOI : 10.1126 / science.abh0474
L’article a été co-écrit par David G. Matthews, Sean L. Kim, Carlos Antonio Márquez, John F. Zimmerman, Herdeline, Ann M. Ardona, André J. Kleber et George F. Lauder.
Il a été soutenu en partie par les National Institutes of Health, le National Center for the Advancement of Transformational Sciences, la subvention UH3TR000522 et la subvention DMR-142057 du National Science Foundation Materials Science and Engineering Research Center.
