Игрушечная рыбка из кардиомиоцитов поможет исследовать сердце

Чтобы создавать искусственные сердца, ученым необходимо понять биофизические принципы работы настоящего миокарда. Ученые из Гарвардского университета в сотрудничестве с коллегами из Университета Эмори решили построить относительно простую модель сокращения мышц — биогибридную рыбку, — чтобы понаблюдать за синхронизацией ее движений и механоэлектрической системой обратной связи.

Одна из ключевых особенностей движения морских видов животных — синхронизированная работа мышц-антагонистов, которые передают импульс от тела к окружающей жидкости. Точно так же мышцы сердца придают импульс крови, чтобы обеспечить ее циркуляцию. В подобных системах важную роль играют механоэлектрические сигналы, которые удобно исследовать на небольшой биогибридной модели.

Ученые вырастили кардиомиоциты на формованных желатиновых пленках так, чтобы они сформировали ткань, напоминающую миокард желудочков сердца. Затем полученное «тело» рыбки крепили на каркас с «плавниками», позволяющий держаться в воде. Сами кардиомиоциты перед этии трансдуцировали лентивирусными векторами, чтобы клетки экспрессировали ионные каналы, реагирующие на синий либо на красный свет. Так исследователи получили возможность управлять мышцами биогибрида. При вспышках красного и синего света с частотой 2,5-3 Гц по разные стороны от рыбки мышцы одной стороны ее туловища сокращались в то же время, как расслаблялись мышцы другой стороны. Конструкция двигалась в воде очень похоже на настоящую Danio rerio.

Затем исследователи проверили, сможет ли конструкция из кардиомиоцитов поддерживать ритмичные сокращения при помощи механоэлетрических сигналов, без управления светом. Для этого отделили часть кардиомиоцитов в «узел», оставив небольшое соединение с остальными мышцами. Ученые вдохновлялись синоартриальным узлом в сердце, который электрически частично изолирован от остального сердца: они предположили, что отражение внутриклеточных токов по периметру узла будет синхронизировать спонтанную активность и координировать ритм.

В результате спонтанные сокращения у рыбок стали более частыми, однако узел в первую очередь действовал как вторичный механизм контроля. Только когда мышечные сокращения на одной стороне были минимальными, узел инициировал сокращение на противоположной, что приводило к волнообразному движению. Таким образом, рыбка оказалась системой с замкнутым контуром, в которой натяжение мышц с одной стороны служило входным сигналом для механосенсоров на другой стороне тела. Сенсоры — механочувствительные ионные каналы — отвечали на этот сигнал и вызывали сокращение мышц, поддерживая ритмичные движения. Точно так же в миокарде кардиомиоциты механически и электрически связаны между собой, и механоэлектрические сигналы защищают сердце от несинхронизированных сокращений.

Биогибридные рыбки сохраняли активность на протяжении 108 дней, что соответствовало 38 миллионам ударов хвостом.

Авторы работы считают, что их исследование стало еще одним шагом на пути к созданию автономных систем, способных к адаптивному поведенческому контролю. Кроме того, подобные модели могут стать платформой для дальнейшего изучения биофизических принципов работы сердца.

Биогибридная рыба, разработанная командой, основана на предыдущих исследованиях группы Кита Паркера из Гарварда. В 2012 году лаборатория создала из клеток миокарда крысы медузоподобный биогибрид, а в 2016 году — искусственного ската.