Pesquisadores da Universidade de Harvard, em colaboração com colegas da Universidade Emory, desenvolveram o primeiro peixe bioha­brido totalmente auta´nomo a partir de células musculares carda­acas derivadas de células-tronco humanas. O peixe artificial nada recriando as contrações musculares de um coração bombeando, aproximando os pesquisadores do desenvolvimento de uma bomba muscular artificial mais complexa e fornecendo uma plataforma para estudar doenças carda­acas como arritmia.

"Nosso objetivo final éconstruir um coração artificial para substituir um coração malformado em uma criana§a", disse Kit Parker, professor de bioengenharia e física aplicada da familia Tarr na Escola de Engenharia e Ciências Aplicadas de Harvard John A. Paulson (SEAS) e autor saªnior do artigo. "A maior parte do trabalho na construção de tecidos ou corações carda­acos, incluindo alguns trabalhos que fizemos, estãofocado em replicar as caracteri­sticas anatômicas ou replicar o simples batimento do coração nos tecidos projetados.. Mas aqui, estamos nos inspirando no design da biofa­sica do coração, o que émais difa­cil de fazer. Agora, em vez de usar imagens do coração como um modelo, estamos identificando os principais princa­pios biofa­sicos que fazem o coração funcionar, usando-os como critanãrios de projeto e replicando-os em um sistema, um peixe vivo, nadando, onde émuito mais fa¡cil ver se formos bem sucedidos."

A pesquisa épublicada na revista Science .

O peixe bioha­brido desenvolvido pela equipe baseia-se em pesquisas anteriores do Parker's Disease Biophysics Group. Em 2012, o laboratório usou células musculares carda­acas de ratos para construir uma bomba bioha­brida semelhante a uma a¡gua-viva e, em 2016, os pesquisadores desenvolveram uma arraia artificial de natação também a partir de células musculares carda­acas de ratos.

Nesta pesquisa, a equipe construiu o primeiro dispositivo bioha­brido auta´nomo feito de cardiomia³citos derivados de células-tronco humanas. Este dispositivo foi inspirado na forma e movimento de natação de um peixe-zebra. Ao contra¡rio dos dispositivos anteriores, o zebrafish bioha­brido tem duas camadas de células musculares, uma de cada lado da barbatana caudal. Quando um lado se contrai, o outro estica. Esse estiramento desencadeia a abertura de um canal de protea­na mecanossensa­vel, que causa uma contração, que desencadeia um estiramento e assim por diante, levando a um sistema de circuito fechado que pode impulsionar o peixe por mais de 100 dias.

“Ao alavancar a sinalização mecanoelanãtrica carda­aca entre duas camadas de maºsculo, recriamos o ciclo em que cada contração resulta automaticamente como uma resposta ao alongamento no lado oposto”, disse Keel Yong Lee, pa³s-doutorando da SEAS e co-autor do estudo. do estudo. "Os resultados destacam o papel dos mecanismos de feedback nas bombas musculares, como o coração".

Os pesquisadores também projetaram um na³ de estimulação auta´nomo, como um marcapasso, que controla a frequência e o ritmo dessas contrações esponta¢neas. Juntos, as duas camadas de maºsculo e o na³ de estimulação auta´nomo permitiram a geração de movimentos conta­nuos, esponta¢neos e coordenados, de vai-e-vem.

“Por causa dos dois mecanismos internos de estimulação, nossos peixes podem viver mais, mover-se mais rápido e nadar com mais eficiência do que trabalhos anteriores”, disse Sung-Jin Park, ex-bolsista de pa³s-doutorado no Grupo de Biofa­sica de Doena§as do SEAS e coautor do estudo. estudar. "Esta nova pesquisa fornece um modelo para investigar a sinalização mecano-elanãtrica como um alvo terapaªutico do gerenciamento do ritmo carda­aco e para a compreensão da fisiopatologia das disfunções do na³ sinoatrial e da arritmia carda­aca".

Park éatualmente professor assistente do Departamento Coulter de Engenharia Biomédica do Georgia Institute of Technology e da Emory University School of Medicine.

Ao contra¡rio de um peixe em sua geladeira, este peixe bioha­brido melhora com a idade. Sua amplitude de contração muscular, velocidade máxima de natação e coordenação muscular aumentaram no primeiro maªs a  medida que as células do cardiomia³cito amadureceram. Eventualmente, o peixe bioha­brido atingiu velocidades e eficácia de natação semelhantes ao peixe-zebra na natureza.

Em seguida, a equipe pretende construir dispositivos bioha­bridos ainda mais complexos a partir de células carda­acas humanas.

"Eu poderia construir um modelo de coração de Play-Doh, isso não significa que eu possa construir um coração ", disse Parker. "Vocaª pode cultivar algumas células tumorais aleata³rias em um prato atéque elas se transformem em um na³dulo latejante e chame-o de organoide carda­aco. Nenhum desses esforços vai, por design, recapitular a física de um sistema que bate mais de um bilha£o de vezes durante sua vida enquanto simultaneamente reconstra³i suas células em tempo real. Esse éo desafio. a‰ aa­ que vamos trabalhar."

A pesquisa foi coautoria de David G. Matthews, Sean L. Kim, Carlos Antonio Marquez, John F. Zimmerman, Herdeline Ann M. Ardona, Andre G. Kleber e George V. Lauder.