Biohibridi – zamena za pejsmejkere?
Naučnici sa Harvarda nedavno su konstruisali prvu potpuno autonomnu biohibridnu ribu koja je sačinjena od ljudskih srčanih mišićnih ćelija (kardiocita). Kako bi se kretala, ova veštački napravljena riba gotovo idealno oponaša kontrakcije ljudskog srca. Naučnici veruju da bi ovaj eksperiment mogao znatno unaprediti tehnologiju pejsmejkera i poboljšati razvoj veštačkih srca za ljude.
Biohibridna riba na udici
Izvor fotografije: https://www.seas.harvard.edu/sites/default/files/styles/embedded_image_large/public/2022-02/hFish_09.jpg?itok=xPJWhb42
Kako biohibridna riba funkcioniše?
Kit Parker, profesor bioinženjeringa i primenjene fizike na Harvardu i jedan od autora rada, kaže da se većina prethodnih biohibrida fokusiralo samo na jednostavno replikovanje anatomskih odlika ili na replikovanje otkucaja srca kod uzgajanih tkiva. Međutim, sada je dizajn usmeren na biofizička svojstva koja omogućavaju pravilan rad srca. Ova svojstva je teže replikovati, ali u autonomnom sistemu kao što je biohibridna riba koja sama pliva, mnogo je lakše neposredno pratiti da li je eksperiment bio uspešan ili ne.
Sam dizajn biohibridne ribe zasniva se na prethodnim modelima Parkerove istraživačke grupe. Grupa je 2012. godine korišćenjem srčanih mišićnih ćelija pacova napravila biohibridnu pumpu sličnu meduzi, a 2016. razvili su veštačku ražu koja pliva, takođe sačinjenu od srčanih mišićnih ćelija pacova.
U ovom istraživanju, biohibridni model inspirisan je oblikom i pokretima plivanja riba zebrica. Biohibridna riba napravljena je od papira, želatina i dva sloja srčanih mišićnih ćelija izvedenih iz ljudskih matičnih ćelija – jedan sloj na levoj, a drugi na desnoj strani plastičnog peraja. Kada se jedna strana kontrahuje, druga će izvesti antagonistički pokret – istegnuće se. Istezanje aktivira otvaranje mehanosenzitivnog proteinskog kanala, što ponovo uzrokuje kontrakciju. Kada se mišićne ćelije na jednoj strani kontrahuju, rep ribe će se pomeriti u istu stranu, omogućavajući ribi da pliva. Pokret prouzrokovan kontrakcijom uslovljava istezanje mišića na suprotnoj strani i tako ukrug. Ovo ukazuje na važnost mehanizama povratne sprege kod mišićnih pumpi kao što je srce.
Mehanizam kretanja biohibridne ribe pomoću kontrakcija
Izvor fotografije: https://xdn.tf.rs/2022/02/15/michael-rosnach-keel-yong-lee-sung-jin-park-kevin-kit-parker-5-830×0.jpg
Pored pomenutih komponenti, istraživači su takođe konstruisali i G-čvor, autonomni čvor koji je delovao kao pejsmejker kontrolišući ritam i učestalost kontrakcija. Zajedno, dva sloja mišića i autonomni čvor omogućili su generisanje kontinuiranih, spontanih i koordinisanih pokreta napred-nazad. Zbog ovakvog unutrašnjeg pejsing mehanizma, ova biohibridna riba pliva brže, a ima i duži životni vek od svojih prethodnika. Naime, ribe su se samostalno kretale čak 108 dana, što je ekvivalentno 38 miliona otkucaja. Ovo su izuzetni rezultati uzimajući u obzir da kardiociti izolovani iz srca životinje mogu preživeti svega 2-3 nedelje pod optimalnim uslovima.
Potencijal u lečenju
Otkriće da je moguće napraviti model srčanog mišića koji se spontano kontrahuje veoma je značajno budući da ljudsko telo nije sposobno da obnovi srčane mišićne ćelije koje su oštećene usled inflamacije, infarkta ili drugih oboljenja. Parkerov istraživački tim je izabrao da testira kardiocite uzgajane u laboratoriji na biohibridnoj ribi upravo zbog sličnosti između kretanja plivanjem i kontrakcija srca. Takođe, pogodno je i to što, tokom vremena, srčani mišić biohibridne ribe ojačava – povećavaju se amplitude kontrakcija, maksimalna brzina plivanja, kao i koordinacija mišića usled sazrevanja kardiocita. Ovo novo istraživanje obezbeđuje veoma koristan model za ispitivanje mehano-električne signalizacije kao i za bolje razumevanje patofiziologije sinoatrijalnog čvora, što je izuzetno značajno u lečenju srčanih aritmija.
Budućnost biohibrida
Za sada, ovakva istraživanja fokusirana su na bolje razumevanje samog principa rada organa, kao što je srce, i na testiranje lekova za različita oboljenja tog organa. U budućnosti će se pak sve više pažnje usmeravati na to kako određeno tkivo ili organ zaista funkcioniše u fiziološkom okruženju, kako bi se što vernije rekreirali uslovi unutar organizma.
Naravno, napredak nauke u smeru kreiranja biohibrida koji se delom sastoje od materijala biološkog porekla a delom od raznih sintetičkih materijala pokreće i niz etičkih pitanja. Sa gledišta današnjih biohibrida, prilično je jasno da se ne radi o živim organizmima, budući da ne poseduju centralni nervni sistem, receptore za bol kao i sposobnost reprodukcije. Ipak, kako biohibridni modeli vremenom postaju sve sofisticiraniji, nije isključeno da bi u budućnosti mogli zaslužiti isto etičko razmatranje kao i pravi animalni model organizmi.
Biohibridni model organizmi: veštačka meduza (levo) i veštačka raža (desno) napravljene od kardiocita pacova.
Izvori fotografija: https://www.seas.harvard.edu/sites/default/files/styles/embedded_image_cropped_large/public/image_49.jpg?itok=-J33vTHo
Izvori:
- https://www.science.org/doi/abs/10.1126/science.abh0474
- https://www.seas.harvard.edu/news/2022/02/biohybrid-fish-made-human-cardiac-cells-swims-heart-beats
- https://www.npr.org/sections/health-shots/2022/02/10/1079859144/watch-these-robotic-fish-swim-to-the-beat-of-human-heart-cells
- https://www.newscientist.com/article/2307975-robofish-powered-by-human-cardiac-cells-gives-fresh-insight-into-heart/
