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Pesce bio-ibrido: verso la realizzazione di un cuore artificiale

Grazie allo studio del movimento del piccolo pesce artificiale è possibile replicare e studiare il meccanismo di funzionamento delle cellule cardiache con l’obiettivo di costruire un cuore artificiale.

Categorie Ingegneria cellulare e tissutale · Medicina

I ricercatori della Harvard ed Emory University hanno sviluppato un pesce artificiale capace di muoversi con lo stesso ritmo del cuore umano. Ciò è possibile grazie all’utilizzo di cellule cardiache derivate da staminali umane utilizzate per ricoprire la pinna caudale del pesce. Il piccolo pesce, in questo modo, riesce a muoversi all’interno della soluzione in cui vengono coltivate le cellule. Gli scienziati hanno grandi speranze per questo particolare dispositivo, infatti, questo è solo uno dei primi step verso le realizzazione di un sistema decisamente più complesso e simile al muscolo cardiaco, un cuore artificiale.

Pesce zebra con cellule cardiache: un passo verso la realizzazione di un cuore artificiale
Credits: Michael Rosnach, Keel Yong Lee, Sung-Jin Park, Kevin Kit Parker

La realizzazione e il funzionamento

Per la realizzazione, i ricercatori hanno preso ispirazione dal piccolo pesce zebra creando un pesce artificiale che nuota autonomamente, muovendosi con lo stesso ritmo del cuore umano. Il piccolo pesce troverà applicazione nello studio delle aritmie cardiache e nello sviluppo di nuove ed innovative pompe cardiache. Il pesce artificiale è costituito da due strati di cellule muscolari che lavorano in modo agonistico. Quando una parte è contratta l’altra si allunga, questo allungamento innesca l’apertura di un canale proteico meccanosensibile che provoca a sua volta una contrazione, che nuovamente causa l’allungamento. In tal modo si crea un sistema a circuito chiuso che permette il movimento del pesce per un periodo di oltre 100 giorni.

Pesce zebra con cellule cardiache: un passo verso la realizzazione di un cuore artificiale
Progettazione del pesce bioibrido. Credits: Lee, Keel Yong, et al. “An autonomously swimming biohybrid fish designed with human cardiac biophysics.” Science 375.6581 (2022): 639-647.

Il gruppo di ricerca che ha lavorato alla realizzazione del pesce, ha previsto anche l’inserimento di un nodo che causa la variazione di frequenza della stimolazione, replicando il funzionamento di un comune pacemaker. In questo modo è possibile controllare la frequenza e quindi il ritmo delle contrazioni della pinna del pesce. Con la maturazione delle cellule cardiache, che avviene con il passare dei giorni in cultura, il pesce bio-ibrido migliora le sue performance. In particolare, ha mostrato miglioramenti nella contrazione muscolare, nella velocità di contrazione e nella coordinazione durante il movimento della pinna. I pesci artificiali più “anziani” riescono a replicare le stesse movenze del pesce zebra da cui traggono spunto.

Verso un cuore artificiale: da dove è nata l’idea del pesce bio-ibrido

L’idea della realizzazione di un dispositivo del genere, che permette di studiare la contrazione cardiaca, risale a circa dieci anni fa.

Il nostro obiettivo è quello di arrivare alla realizzazione di un cuore artificiale che possa essere utilizzato nei trapianti per pazienti con malformazioni.

Kit Parker, bioingegnere di Harvard

Dieci anni fa il suo gruppo di ricerca iniziò a studiare come raggiungere questo obiettivo, racconta Parker. I primi esperimenti furono effettuati con le cellule del muscolo cardiaco di ratto con lo scopo di realizzare una pompa cardiaca che replicasse il movimento delle meduse. Durante questo studio è stato possibile analizzare il modo in cui nuotano le meduse ed analizzarne la fluidodinamica, è stato uno dei primi grandi step per quanto riguarda l’ingegnerizzazione dei tessuti artificiali. La possibilità di replicare il funzionamento di un tessuto organico partendo dallo studio dello stesso è una sfida tutt’altro che banale.

Pesce zebra con cellule cardiache: un passo verso la realizzazione di un cuore artificiale
Credits: slon.pics

I prossimi sviluppi

L’obiettivo futuro dei ricercatori è quello di costruire e sviluppare dispositivi bio ibridi sempre più complessi per arrivare ad un cuore artificiale, partendo da cellule del tessuto cardiaco umano. La vera sfida non consiste nell’utilizzo delle cellule cardiache, spiega Parker, ma è nella replicazione e creazione di un sistema fisico che batte oltre un miliardo di volte durante la sua vita e nello stesso tempo ricostruisce le sue cellule. Questa è la vera sfida che deve essere superata, ma una volta raggiunto l’obiettivo, ciò permetterebbe di aiutare un gran numero di persone e per questo motivo bisogna continuare a lavorare sullo sviluppo di queste tecnologie.

A cura di Raffaele Felice.