Биогибридная рыба, сделанная из клеток сердца человека, плавает, как бьется сердце
Авторы: Лия Берроуз/SEAS Communications Исследователи Гарвардского университета в сотрудничестве с коллегами из Университета Эмори разработали первую полностью автономную биогибридную рыбу из клеток сердечной мышцы, полученных из стволовых клеток человека. Искусственная рыба плавает, воссоздавая мышечные сокращения работающего сердца, что приближает исследователей на один шаг к разработке более сложного искусственного мышечного насоса и предоставляет платформу для изучения сердечных заболеваний, таких как аритмия.
«Наша конечная цель — создать искусственное сердце, чтобы заменить уродливое сердце у ребенка», — сказал Кит Паркер, доктор философии, доцент Института Висса в Гарвардском университете и профессор биоинженерии и биоинженерии семьи Тарр. Прикладная физика в Гарвардской школе инженерии и прикладных наук имени Джона А. Полсона (SEAS), который является старшим автором статьи.
«Большая часть работы по созданию сердечной ткани или сердец, включая некоторую работу, которую мы проделали, сосредоточена на воспроизведении анатомических особенностей или воспроизведении простого биения сердца в инженерных тканях. Но здесь мы черпаем вдохновение для дизайна из биофизики сердца, что сделать сложнее. Теперь, вместо того, чтобы использовать изображение сердца в качестве плана, мы определяем ключевые биофизические принципы, которые заставляют сердце работать, используя их в качестве критериев проектирования и воспроизводя их в системе, в живой плавающей рыбе, где это гораздо легче увидеть. если мы добьемся успеха».
Исследование опубликовано в Science .
Биогибридная рыба, разработанная командой, основана на предыдущих исследованиях группы биофизики болезни Паркера. В 2012 году лаборатория использовала клетки сердечной мышцы крысы для создания биогибридного насоса, похожего на медузу, а в 2016 году исследователи разработали плавающего искусственного ската, также из клеток сердечной мышцы крысы.
В рамках этого исследования команда создала первое автономное биогибридное устройство, изготовленное из кардиомиоцитов, полученных из стволовых клеток человека. Это устройство было вдохновлено формой и движением рыбки данио. В отличие от предыдущих устройств, биогибридная рыбка данио имеет два слоя мышечных клеток, по одному с каждой стороны хвостового плавника. Когда одна сторона сжимается, другая растягивается. Это растяжение запускает открытие механочувствительного белкового канала, который вызывает сокращение, которое запускает растяжение и так далее и тому подобное, что приводит к замкнутой системе, которая может продвигать рыбу более 100 дней.
Схема автономно плавающих биогибридных рыб.Авторы и права: Майкл Роснах, Кил Йонг Ли, Сунг-Джин Парк, Кевин Кит Паркер
«Используя сердечную механоэлектрическую передачу сигналов между двумя слоями мышц, мы воссоздали цикл, в котором каждое сокращение происходит автоматически в ответ на растяжение мышц. противоположная сторона», — сказал Кил Йонг Ли, доктор философии, научный сотрудник SEAS и соавтор исследования.
«Результаты подчеркивают роль механизмов обратной связи в мышечных насосах, таких как сердце».
Исследователи также разработали автономный узел кардиостимуляции, похожий на кардиостимулятор, который контролирует частоту и ритм этих спонтанных сокращений. Вместе два слоя мышц и автономный узел стимуляции позволяли генерировать непрерывные, спонтанные и скоординированные движения плавников вперед и назад.
«Благодаря двум внутренним механизмам стимуляции наша рыба может жить дольше, двигаться быстрее и плавать эффективнее, чем в предыдущих работах», — сказал Сунг-Джин Парк, доктор философии, бывший научный сотрудник группы биофизики болезней в SEAS. и соавтор исследования. «Это новое исследование представляет собой модель для изучения механоэлектрической передачи сигналов в качестве терапевтической цели управления сердечным ритмом и для понимания патофизиологии дисфункций синоатриального узла и сердечной аритмии».
Исследователи из Института Висса Гарвардского университета и Школы инженерии и прикладных наук Джона А.
Полсона (SEAS) разработали первую полностью автономную биогибридную рыбу из клеток сердечной мышцы, полученных из стволовых клеток человека. Искусственная рыба плавает, воссоздавая мышечные сокращения работающего сердца, что приблизило исследователей на один шаг к созданию более сложного искусственного мышечного насоса. Фото: Harvard SEASПарк в настоящее время является доцентом кафедры биомедицинской инженерии Коултера в Технологическом институте Джорджии и Медицинской школе Университета Эмори.
В отличие от рыбы в вашем холодильнике, эта биогибридная рыба улучшается с возрастом. Амплитуда мышечных сокращений, максимальная скорость плавания и координация мышц увеличивались в течение первого месяца по мере созревания клеток кардиомиоцитов. В конце концов, биогибридная рыба достигла скорости и эффективности плавания, подобных рыбкам данио в дикой природе.
Далее команда планирует создать еще более сложные биогибридные устройства из клеток человеческого сердца.
«Я могу сделать модель сердца из пластилина Play-Doh, но это не значит, что я могу сделать сердце», — сказал Паркер.
«Вы можете выращивать несколько случайных опухолевых клеток в чашке, пока они не свернутся в пульсирующий комок, и назовите его сердечным органоидом. Ни одна из этих попыток не собирается по замыслу воспроизводить физику системы, которая за всю вашу жизнь бьется более миллиарда раз, одновременно перестраивая свои ячейки на лету. Это вызов. Вот куда мы ходим на работу».
Исследование проводилось в соавторстве с Дэвидом Г. Мэтьюзом, Шоном Л. Кимом, Карлосом Антонио Маркесом, Джоном Ф. Циммерманом, Херделин Энн М. Ардона, Андре Г. Клебером и Джорджем В. Лаудером.
Он был частично поддержан грантом Uh4TR000522 Национального центра развития трансляционных наук Национального института здравоохранения и грантом DMR-142057 Центра материаловедения и инженерии Национального научного фонда.
«Сердце-призрак»: созданный из каркаса свиньи и клеток пациента, этот прорыв в области сердца вскоре может быть готов к пересадке людям
Си-Эн-Эн —
cms.cnn.com/_components/paragraph/instances/paragraph_FDBE80E2-3C3F-7256-F8BF-F2650903DC09@published» data-editable=»text» data-component-name=»paragraph»>
Молекулярный биолог Дорис Тейлор впервые увидела, как стволовые клетки сердца бьются в унисон в чашке Петри, и она была очарована.«Это на самом деле изменило мою жизнь, — сказал Тейлор, руководивший исследованиями в области регенеративной медицины в Техасском институте сердца в Хьюстоне до 2020 года. — Я сказал себе: «Боже мой, это жизнь». и воссоздать это, чтобы спасти жизни».
Почему? Потому что он сделан из собственных тканей этого человека.«Теперь мы действительно можем представить себе создание персонализированного человеческого сердца, перевод трансплантации сердца из экстренной процедуры, когда вы так больны, в плановую процедуру», — сказал Тейлор аудитории.
«Это снижает ваш риск, устраняя потребность в препаратах (против отторжения), используя ваши собственные клетки для создания сердца, снижает стоимость… и вы не так часто находитесь в больнице, что улучшает качество вашей жизни», — сказала она. .
Дебют на сцене с ней был BAB, робот, которого Тейлор старательно учил вводить стволовые клетки в камеры призрачных сердец в стерильной среде.
Можем ли мы вырастить персонализированное человеческое сердце?
24:16 — Источник: CNN
«Это первый шанс по-настоящему вылечить убийцу номер один мужчин, женщин и детей во всем мире — болезнь сердца. И затем я хочу сделать его доступным для всех», — сказал Тейлор под аплодисменты публики.
«Она никогда не сдавалась», — сказал Майкл Голуэй, ведущий изобретатель BAB и президент и генеральный директор Advanced Solutions, которая разрабатывает и создает платформы для создания тканей человека.
«В любой момент доктор Тейлор мог бы легко сказать: «Я закончил, это просто не сработает». Но она упорствовала годами, борясь с неудачами, чтобы найти правильный тип клеток в нужном количестве и в правильных условиях, чтобы позволить этим клеткам быть счастливыми и расти».
Увлечение Тейлор растущими сердцами началось в 19 лет.98, когда она была частью команды Университета Дьюка, которая вводила клетки в больное сердце кролика, создавая новую сердечную мышцу. Однако, когда начались испытания на людях, процесс был удачным или нет.
«Мы помещали клетки в поврежденные или рубцовые области сердца и надеялись, что это поможет преодолеть существующие повреждения», — сказала она CNN.
«Я начал думать: что, если бы мы могли избавиться от этой плохой окружающей среды и восстановить дом?»
Вскоре она перешла на использование свиных сердец из-за их анатомического сходства с человеческими сердцами.
«Мы взяли сердце свиньи и промыли все клетки щадящим детским шампунем», — рассказала она.
«То, что осталось, было внеклеточным матриксом, прозрачной структурой, которую мы назвали «сердцем-призраком».
«Затем мы влили клетки кровеносных сосудов и позволили им расти на матрице в течение нескольких недель», — сказал Тейлор. «Это создало способ накормить клетки, которые мы собирались добавить, потому что мы восстановили кровеносные сосуды к сердцу».
Следующим шагом было введение незрелых стволовых клеток в различные области каркаса, «а затем нам нужно было научить клетки расти».
«Мы должны электрически стимулировать их, как кардиостимулятор, но сначала очень осторожно, пока они не станут все сильнее и сильнее.
Это «сердце-призрак», созданное из каркаса сердца свиньи и введенное в него стволовыми клетками человека, вскоре может быть готово для клинических испытаний на людях.
Передовые решения для медико-биологических наукНо это не конец «материнской заботы» Тейлор и ее команды. Теперь она должна заботиться о зарождающемся сердце, давая ему кровяное давление и обучая его качать кровь.
«Мы наполняем камеры сердца искусственной кровью и позволяем сердечным клеткам сжиматься.
Но мы должны помочь им с электрическими насосами, иначе они умрут», — пояснила она.
Клетки также питаются кислородом из искусственных легких. По словам Тейлора, в первые дни все эти шаги нужно было контролировать и координировать вручную 24 часа в сутки, 7 дней в неделю.
«Сердце должно есть каждый день, и до тех пор, пока мы не построили устройства, которые позволяли осуществлять электронный мониторинг сердец, кто-то должен был это делать, человек — и не имело значения, было ли это Рождество, Новый год или твой день рождения». она сказала. «Чтобы это произошло, понадобились экстраординарные группы людей, которые работали со мной на протяжении многих лет».
Но как только Тейлор и ее команда увидели результаты своего воспитания, любые жертвы, на которые они пошли, стали незначительными, «потому что тогда происходит красота, волшебство», — сказала она.
«Мы вводили одинаковые клетки повсюду в сердце, поэтому все они начинались одинаково», — сказал Тейлор. «Но теперь, когда мы смотрим в левый желудочек, мы находим клетки сердца левого желудочка. Если мы посмотрим в предсердие, они будут похожи на предсердные клетки сердца, а если мы посмотрим на правый желудочек, то это клетки правого желудочка сердца», — сказала она.
«Поэтому со временем они развивались в зависимости от того, где они оказались, и выросли, чтобы работать вместе и стать сердцем.
Природа удивительна, не так ли?»
Когда ее творение ожило, Тейлор начала мечтать о дне, когда ее прототипы сердец можно будет массово производить для тысяч людей, находящихся в списках трансплантатов, многие из которых умирают в ожидании. Но как масштабировать сердце?
«Я понял, что на каждый грамм сердечной ткани, которую мы построили, нам нужен миллиард сердечных клеток», — сказал Тейлор. «Это означало, что для сердца взрослого человека нам потребуется до 400 миллиардов отдельных клеток. Теперь большинство лабораторий работают с миллионом или около того клеток, а клетки сердца не делятся, что ставит нас перед дилеммой: откуда возьмутся эти клетки?»
cms.cnn.com/_components/paragraph/instances/paragraph_25D535D7-BC48-EE03-4411-F2650922FC9C@published» data-editable=»text» data-component-name=»paragraph»>
Ответ пришел, когда японский биомедицинский исследователь доктор Шинья Яманака обнаружил, что клетки кожи взрослого человека можно перепрограммировать, чтобы они вели себя как эмбриональные или «плюрипотентные» стволовые клетки, способные развиваться в любую клетку тела. Открытие 2007 года принесло ученому Нобелевскую премию, а его «индуцированные плюрипотентные стволовые клетки (iPS)» вскоре стали известны как «факторы Яманаки». «Теперь мы впервые смогли взять кровь, костный мозг или кожу человека и вырастить клетки этого человека, которые могли бы превратиться в клетки сердца», — сказал Тейлор. «Но масштабы все равно были огромными: нам нужны были десятки миллиардов клеток.
Нам потребовалось еще 10 лет, чтобы разработать соответствующие методы».
Решение? Пчелиные соты из волокон с тысячами микроскопических отверстий, к которым клетки могли прикрепляться и питаться.
«Клетчатка впитывает питательные вещества точно так же, как кофейный фильтр, клетки имеют доступ к еде повсюду вокруг себя, и это позволяет им расти в гораздо большем количестве. Мы можем перейти от примерно 50 миллионов клеток к миллиарду клеток за неделю», — сказал Тейлор. «Но нам нужно 40 миллиардов, 50 миллиардов или 100 миллиардов, поэтому часть нашей науки за последние несколько лет заключалась в увеличении количества клеток, которые мы можем вырастить».
Еще одна проблема: каждое сердце нуждалось в первозданной среде, свободной от загрязнений, для каждого этапа процесса. Каждый раз, когда необходимо было вмешательство, она и ее команда рисковали открыть сердце для инфекции — и смерти.
«Вы знаете, сколько времени нужно, чтобы вручную ввести 350 миллиардов клеток?» — спросила Тейлор аудиторию «Сама жизнь». «Что, если ты прикоснешься к чему-то? Ты только что заразил все сердце».
Однажды в ее лаборатории произошел сбой в электросети, и все сердца умерли.
Тейлор и ее команда были почти безутешны.
«Когда что-то случается с одним из этих сердец, это разрушительно для всех нас», — сказал Тейлор. «И это прозвучит странно от ученого, но мне пришлось научиться укреплять свое сердце эмоционально, умственно, духовно и физически, чтобы пройти через этот процесс».
Доктор Дорис Тейлор (слева) учит робота БАБ, как правильно вводить стволовые клетки в сердце призрака.
Передовые решения для медико-биологических наук Представьте BAB, сокращение от BioAssemblyBot, и «сверхстерильную» люльку, созданную Advance Solutions, которая может удерживать сердце и транспортировать его между каждым этапом процесса, сохраняя при этом свободную от микробов среду.
Теперь Тейлор научила БАБ особому процессу введения клеток, который она кропотливо разработала за последнее десятилетие.
«Когда доктор Тейлор вводит клетки, ей потребовались годы, чтобы понять, куда вводить, как сильно нажимать на шприц и как лучше всего вводить клетки с максимальной скоростью и темпом», — сказал создатель BAB Голуэй.
«Робот может сделать это быстро и точно. И, как мы знаем, двух одинаковых сердец не бывает, поэтому БАБ может использовать ультразвук, чтобы заглянуть внутрь сосудистого пути этого конкретного сердца, где доктор Тейлор, так сказать, работает вслепую», — добавил Голуэй. «Это волнующее зрелище — иногда волосы на затылке буквально встают дыбом».
Тейлор покинула академию в 2020 году и в настоящее время работает с частными инвесторами, чтобы донести свое творение до широких масс. Если трансплантация людям в предстоящих клинических испытаниях пройдет успешно, персонализированные гибридные сердца Тейлора могут быть использованы для спасения тысяч жизней по всему миру.
Только в США в 2021 году в списке ожидания на пересадку сердца стояло около 3500 человек.
«Это не считая людей, которые никогда не попадали в список из-за своего возраста или состояния здоровья», — сказал Тейлор.
«Если вы маленькая женщина, если вы представляете недостаточно представленное меньшинство, если вы ребенок, шансы получить орган, соответствующий вашему телу, невелики.
Если у вас все-таки появится сердце, многие люди заболевают или иным образом теряют свое новое сердце в течение десяти лет. Мы можем снизить стоимость, мы можем расширить доступ и уменьшить побочные эффекты. Это беспроигрышный вариант».
Тейлор даже может представить себе день, когда люди в молодом возрасте сохранят свои собственные стволовые клетки, извлекая их из хранилища, когда это необходимо для выращивания сердца, а однажды даже легкого, печени или почки.