Investigadores de la Universidad de Harvard, en colaboración con colegas de la Universidad de Emory, han desarrollado el primer pez biohíbrido totalmente autónomo a partir de células musculares cardíacas derivadas de células madre humanas.
El pez artificial nada recreando las contracciones musculares de un corazón bombeando, acercando a los investigadores un paso más al desarrollo de un bombeo muscular artificial más complejo y proporcionando una plataforma para estudiar enfermedades cardíacas como la arritmia.
“Nuestro objetivo final es construir un corazón artificial para reemplazar un corazón malformado en un niño”, dijo Kit Parker, profesor de bioingeniería y física aplicada de la familia Tarr en la Escuela de Ingeniería y Ciencias Aplicadas John A. Paulson de Harvard (SEAS) y autor principal del artículo publicado en la revista Science.
“La mayor parte del trabajo en la construcción de tejidos cardíacos o corazones, incluidos algunos trabajos que hemos realizado, se centra en replicar las características anatómicas o replicar el simple latido del corazón en los tejidos diseñados. Pero aquí, nos inspiramos en el diseño de la biofísica del corazón, que es más difícil de hacer. Ahora, en lugar de utilizar imágenes del corazón como modelo, estamos identificando los principios biofísicos clave que hacen que el corazón funcione, utilizándolos como criterios de diseño y reproduciéndolos en un sistema, un pez nadador vivo, donde es mucho más fácil ver si tenemos éxito”, explicó el científico.
El pez biohíbrido desarrollado por el equipo se basa en investigaciones previas del Grupo de Biofísica de la Enfermedad de Parker. En 2012, el laboratorio usó células de músculo cardíaco de ratas para construir una bomba biohíbrida similar a una medusa y en 2016 los investigadores desarrollaron una raya artificial nadadora también a partir de células de músculo cardíaco de rata.
En esta investigación, el equipo construyó el primer dispositivo biohíbrido autónomo hecho de cardiomiocitos derivados de células madre humanas. Este dispositivo se inspiró en la forma y el movimiento de natación de un pez cebra. A diferencia de los dispositivos anteriores, el pez cebra biohíbrido tiene dos capas de células musculares, una a cada lado de la aleta caudal. Cuando un lado se contrae, el otro se estira.
Ese estiramiento desencadena la apertura de un canal de proteína mecanosensible, lo que provoca una contracción, lo que desencadena un estiramiento y así sucesivamente, creando así un sistema de circuito cerrado que puede propulsar a los peces durante más de 100 días.
“Al aprovechar la señalización mecanoeléctrica cardíaca entre dos capas de músculo, recreamos el ciclo en el que cada contracción se produce automáticamente como respuesta al estiramiento en el lado opuesto”, dijo Keel Yong Lee, coautor principal del estudio. “Los resultados destacan el papel de los mecanismos de retroalimentación en las bombas musculares como el corazón”.
Los investigadores también diseñaron un nodo de estimulación autónomo, como un marcapasos, que controla la frecuencia y el ritmo de estas contracciones espontáneas. Juntas, las dos capas de músculo y el nodo de estimulación autónomo permitieron la generación de movimientos continuos, espontáneos y coordinados de las aletas hacia adelante y hacia atrás.
“Debido a los dos mecanismos de estimulación internos, nuestros peces pueden vivir más tiempo, moverse más rápido y nadar de manera más eficiente que el trabajo anterior”, dijo Sung-Jin Park, también coautor del estudio.
“Esta nueva investigación proporciona un modelo para investigar la señalización mecanoeléctrica como objetivo terapéutico del control del ritmo cardíaco y para comprender la fisiopatología en las disfunciones del nódulo sinoauricular y la arritmia cardíaca”, agregó.
A diferencia de un pescado en su refrigerador, este pez biohíbrido mejora con la edad. Su amplitud de contracción muscular, velocidad máxima de natación y coordinación muscular aumentaron durante el primer mes a medida que maduraban las células de los cardiomiocitos. Eventualmente, el pez biohíbrido alcanzó velocidades y eficacia de natación similares a las del pez cebra en la naturaleza.
A continuación, el equipo tiene como objetivo construir dispositivos biohíbridos aún más complejos a partir de células cardíacas humanas.
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