Der Biohybridfisch. (Lee et al., Science, 2022) Mit seinem Schwanz, der sich rhythmisch von einer Seite zur anderen bewegt, gleitet dieser seltsame synthetische Fisch in seiner Salz- und Glukoselösung herum und nutzt dabei die gleiche Kraft wie unser schlagendes Herz.
Dieses raffinierte miniaturisierte Kreislaufsystem, das von Wissenschaftlern der Universitäten Harvard und Emory entwickelt wurde, kann mehr als 100 Tage lang im Takt schwimmen.
Die Erfinder setzen große Hoffnungen in das seltsame kleine Gerät, das aus lebenden Herzmuskelzellen besteht ( Kardiomyozyten ) vom Menschen gewachsen Stammzellen .
Die Erschaffung des „biohybriden“ Fisches konzentriert sich auf zwei wichtige regulatorische Merkmale unseres Herzens: seine Fähigkeit, spontan zu funktionieren, ohne dass eine bewusste Eingabe erforderlich ist (Automatizität); und durch mechanische Bewegung ausgelöste Nachrichtenübermittlung (mechanoelektrische Signalisierung).
Diese aus der Forschung gewonnenen Erkenntnisse werden es den Forschern hoffentlich ermöglichen, diese Aspekte bei Herzerkrankungen genauer zu untersuchen.
„Unser oberstes Ziel ist es, ein künstliches Herz zu bauen, um ein missgebildetes Herz bei einem Kind zu ersetzen.“ sagt Kevin Kit Parker, Bioingenieur der Harvard University.
Während es einfach genug ist, etwas zu erschaffen, das wie ein Herz aussieht, ist es eine viel schwierigere Herausforderung, etwas zu erschaffen, das tatsächlich so funktioniert. Der sich windende Fischbot ist ein großer Schritt in diese Richtung und baut auf früheren Arbeiten auf, bei denen Rattenherzmuskeln zum Aufbau eines Fischroboters verwendet wurden Quallen-Biohybridpumpe und ein Cyborg-Stachelrochen .
„Ich könnte ein Modellherz aus Play-Doh bauen, das heißt aber nicht, dass ich ein Herz bauen kann.“ erklärt Parker.
„Man kann ein paar zufällig ausgewählte Tumorzellen in einer Schale züchten, bis sie zu einem pochenden Klumpen gerinnen, und man nennt ihn ein Herzorganoid.“ Keine dieser Bemühungen wird absichtlich die Physik eines Systems rekapitulieren, das im Laufe Ihres Lebens über eine Milliarde Mal schlägt und gleichzeitig seine Zellen im laufenden Betrieb neu aufbaut.
„Das ist die Herausforderung.“ Da gehen wir an die Arbeit.“
Mit zwei Schichten Kardiomyozyten auf jeder Seite der Schwanzflosse ist der Biohybridfisch autonom aufgebaut – er kann seine eigene Bewegung selbst aufrechterhalten.
Wenn eine Seite fest zusammengedrückt wird, wird die andere Seite gedehnt, wodurch ein Rückkopplungsmechanismus ausgelöst wird, der bewirkt, dass sich die gedehnte Seite zusammenzieht und dann in einem fortlaufenden Zyklus denselben Mechanismus auf der anderen Seite auslöst.
Dieses System asynchroner Muskelkontraktionen ist basierend auf den Flugmuskeln von Insekten .
Jede Kontraktion löst automatisch eine Kontraktion des anderen Muskelpaares aus. (Lee et al., Science, 2022)
Die körperliche Beugung ist die mechanische Bewegung, die das elektrische Signal aktiviert, das Ionenkanäle in den Muskeln bildet. Diese Ionenkanäle lösen die Aktivierung und Kontraktion der Muskeln aus.
Das System aussetzen Streptomycin Und Gadolinium - bekanntermaßen stören Ionenkanäle in den Muskeln – endete damit, dass die Schwimmgeschwindigkeit verringert wurde und die Beziehung zwischen der mechanischen Dehnung und dem Auslösen der nächsten Kontraktion auf der anderen Seite unterbrochen wurde. Dies bestätigte, dass die Ionenkanäle tatsächlich an den rhythmischen Kontraktionen beteiligt waren.
„Durch die Nutzung der mechanoelektrischen Herzsignale zwischen zwei Muskelschichten haben wir den Zyklus nachgebildet, bei dem jede Kontraktion automatisch als Reaktion auf die Dehnung auf der gegenüberliegenden Seite erfolgt.“ sagt Keel Yong Lee, Bioingenieur der Harvard University.
„Die Ergebnisse verdeutlichen die Rolle von Feedback-Mechanismen in Muskelpumpen wie dem Herzen.“
Parker und Kollegen integrierten außerdem ein schrittmacherähnliches System in den Biohybrid: einen isolierten Zellcluster, der die Frequenz und Koordination dieser Bewegungen steuert.
„Aufgrund der beiden internen Stimulationsmechanismen können unsere Fische länger leben, sich schneller bewegen und effizienter schwimmen als bei früheren Arbeiten.“ erklärt Biophysikforscher Sung-Jin Park, der Co-Erstautor der Studie.
Die gewebeweiten Kontraktionen des Biohybridfisches sind mit denen des Zebrafisches vergleichbar, dem der Biohybrid nachempfunden ist – sie treiben das kleine Gerät effizienter an als mechanische Robotersysteme.
„Anstatt die Bildgebung des Herzens als Blaupause zu verwenden, identifizieren wir die wichtigsten biophysikalischen Prinzipien, die das Herz zum Funktionieren bringen, verwenden sie als Designkriterien und replizieren sie in einem System, einem lebenden, schwimmenden Fisch, wo es viel einfacher zu sehen ist.“ „Wir sind erfolgreich“, sagt Parker.
Diese Forschung wurde veröffentlicht in Wissenschaft .