Tutto sul pesce cyborg creato da cellule del cuore umano

Il design sarà anche semplice, ma il funzionamento è quanto di più complesso si possa immaginare, e il suo sviluppo è un enorme traguardo per la ricerca medica e scientifica: il primo "pesce cyborg", un pesce bioibrido alimentato da cellule muscolari cardiache derivate da cellule staminali umane, è stato creato dai ricercatori dell'Università di Harvard e dai colleghi della Emory University, e potrebbe rivoluzionare il settore dei trapianti.

Il "pesce cyborg" nuota infatti ricreando le contrazioni muscolari di un cuore che pompa, aiutando i ricercatori ad avvicinarsi allo sviluppo di una pompa muscolare artificiale più complessa rispetto a quelle attuali e fornendo una valida base per studiare malattie cardiache come l'aritmia.

Lo sviluppo del pesce cyborg 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 razza artificiale, sempre sfruttando le cellule cardiache dei ratti.

Per raggiugnere questo ulteriore traguardo, il team ha costruito il primo dispositivo bioibrido autonomo a base di cardiomiociti derivati da cellule staminali umane, ispirandosi alla forma e al movimento di nuoto del 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. L'allungamento innesca l'apertura di un canale proteico meccanosensibile, che provoca una contrazione, che innesca nuovamente l'allungamento e così via, portando a un sistema a circuito chiuso che può alimentare il pesce per più di 100 giorni.

"Sfruttando la segnalazione meccano-elettrica cardiaca tra due strati di muscoli, abbiamo ricreato un ciclo in cui ogni contrazione risulta automaticamente come risposta all'allungamento sul lato opposto - ha spiegato Keel Yong Lee, borsista post-dottorato presso e co-primo autore dello studio - I risultati evidenziano il ruolo dei meccanismi di reazione nelle pompe muscolari come il cuore".

Per perfezionare il funzionamento del pesce bioibrido, i ricercatori hanno progettato anche una sorta di pacemaker che controlla la frequenza e il ritmo delle contrazioni spontanee: insieme, i due strati muscolari e questo "stimolatore" autonomo hanno consentito la generazione di movimenti della pinna avanti e indietro continui, spontanei e coordinati, riproducendo a tutti gli effetti il movimento di nuoto di un pesce. E con il passare dei giorni l'ampiezza della contrazione muscolare, la coordinazione e la velocità di nuoto sono andati migliorando, via via che le cellule cardiache sono maturate: alla fine il pesce ha raggiunto una velocità e un'efficienza di nuovo simili a quelle del pesce zebra in natura.

Il team di ricercatori punta a costruire dispositivi bioibridi sempre più complessi, sfruttando sempre cellule cardiache umane: "Grazie ai due meccanismi di stimolazione interni, i nostri pesci possono vivere più a lungo, muoversi più velocemente e nuotare in modo più efficiente rispetto a quanto fatto precedentemente - ha spiegato Sung-Jin Park, ex borsista post-dottorato nel Disease Biophysics Group e co-primo autore dello studio - 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 di alcune disfunzioni cardiache".

Il team di ricercatori continuerà a studiare il pesce cyborg e a lavorare a miglioramenti in grado di renderlo sempre più avanzato, gli sforzi concentrati sulle applicazioni pratiche nel campo dei trapianti di cuore: "Il nostro obiettivo finale è costruire un cuore artificiale per sostituire il cuore danneggiato in un bambino", ha detto Kit Parker, professore di bioingegneria e fisica applicata alla Harvard John A. Paulson School of Engineering and Applied Sciences (SEAS) e autore senior della ricerca pubblicata su Science.

"La maggior parte del lavoro nella costruzione di tessuti o cuori cardiaci, compresi alcuni lavori che abbiamo svolto, si concentra sulla replica delle caratteristiche anatomiche o sulla replica del semplice battito del cuore nei tessuti ingegnerizzati - ha concluso Parker - Ma qui stiamo traendo ispirazione dal design dalla biofisica del cuore, che è una cosa molto 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 che nuota, che rende molto più facile vedere se abbiamo successo".