Jump to content
Forum Kopalni Wiedzy
Sign in to follow this  
KopalniaWiedzy.pl

Biohybrydowa „ryba” z komórek ludzkiego serca pływa w rytm bicia serca

Recommended Posts

Naukowcy z Uniwersytetu Harvarda i Emory University stworzyli pierwszą w pełni autonomiczną biohybrydową „rybę” zbudowaną z komórek ludzkiego mięśnia sercowego. Urządzenie pływa naśladując kurczenie się mięśni pracującego serca. To krok w kierunku zbudowania sztucznego serca z mięśni i stworzenia platformy do badania takich chorób, jak arytmia.

Naszym ostatecznym celem jest zbudowanie sztucznego serca, które mogłoby zastąpić nieprawidłowo rozwinięte serce u dzieci, mówi profesor Kit Parker z Harvard John A. Paulson School of Engineering and Applied Sciences (SEAS). Większość prac związanych ze stworzeniem tkanki mięśniowej lub serca, w tym część prac prowadzonych przez nas, skupia się na skopiowaniu pewnych funkcji anatomicznych lub uzyskaniu prostego rytmu serca w sztucznej tkance. Tutaj zaś zaczynamy inspirować się biofizyką serca, co jest znacznie trudniejsze. Za wzór nie bierzemy samej budowy serca, a biofizyczne podstawy jego funkcjonowania. To je wykorzystaliśmy jako punkt wyjścia naszej pracy.

Naukowcy wykorzystali kardiomiocyty – komórki mięśnia sercowego odpowiadające za kurczenie się – i inspirowali się kształtem danio pręgowanego oraz ruchami, jakie wykonuje podczas pływania.

W przeciwieństwie do innych urządzeń, ogon biohybrydy składa się z dwóch warstw komórek. Gdy te po jednej stronie się kurczą, po drugiej stronie rozciągają się. Rozciągnięci prowadzi do otwarcia kanału białkowego, który z kolei prowadzi do kurczenia się i proces się powtarza. W ten sposób powstał system napędzający „rybę” przez ponad 100 dni.

Wykorzystując mechaniczno-elektryczne sygnały pomiędzy dwoma warstwami komórek, odtworzyliśmy cykl, w którym każdy skurcz automatycznie wywołuje reakcję w postaci rozciągania się strony przeciwnej. To pokazuje, jak ważne jest sprzężenie zwrotne w mechanizmie działania pomp mięśniowych, takich jak serce, stwierdza główny autor badań, doktor Keel Yong Lee z SEAS.

Naukowcy zaprojektowali też autonomiczny moduł kontrolny, który na podobieństwo rozrusznika serca kontroluje częstotliwość i rytm spontanicznych ruchów komórek. Dzięki współpracy dwóch warstw komórek oraz modułu kontrolnego uzyskano ciągły, spontaniczny i skoordynowany ruch płetwy ogonowej w przód i w tył.

Co więcej, działanie sztucznej ryby poprawia się z czasem. W ciągu pierwszego miesiąca, w miarę dojrzewania kardiomiocytów, poprawiła się amplituda ruchów, maksymalne tempo pływania oraz koordynacja mięśni. W końcu biohybryda pływała równie szybko i efektywnie jak prawdziwy danio pręgowany.

Teraz naukowcy przymierzają się do zbudowania bardziej złożonych biohybryd z komórek ludzkiego serca. To, że potrafię zbudować z klocków model serca, nie oznacza, że potrafię zbudować serce. Można na szalce Petriego wyhodować komórki komórki nowotworowe aż utworzą tętniącą grudkę i nazwać to organoidem. Jednak nic z tego nie oddaje fizyki systemu, który w czasie naszego życia kurczy się ponad miliard razy, a jednocześnie w locie odbudowuje swoje komórki. To jest prawdziwe wyzwanie. I tam właśnie chcemy dojść, mówią uczeni.


« powrót do artykułu

Share this post


Link to post
Share on other sites

Create an account or sign in to comment

You need to be a member in order to leave a comment

Create an account

Sign up for a new account in our community. It's easy!

Register a new account

Sign in

Already have an account? Sign in here.

Sign In Now
Sign in to follow this  

  • Similar Content

    • By KopalniaWiedzy.pl
      Na Uniwersytecie w Edynburgu powstała innowacyjna technologia tworzenia ultracienkich warstw ludzkich komórek w kształcie rurek. Może się ona przyczynić do stworzenia w laboratoriach struktur bardzo podobnych do naczyń krwionośnych czy jelit. Technika nazwana przez jej twórców RIFLE (rotational internal flow layer engineeering) pozwala na tworzenie oddzielnych warstw o grubości 1 komórki każda. To kluczowy element w kierunku rozwoju dokładnych modeli tkanek o kształcie rurek. Posłużą one w badaniach laboratoryjnych i będą mogły stanowić alternatywę dla badań na zwierzętach.
      W całym organizmie mamy wiele tkanek w kształcie rurek, a obecne metody ich uzyskiwania mogą niedokładnie odzwierciedlać ich budowę. Możliwość precyzyjnego odtwarzania tego typu tkanek w warunkach laboratoryjnych pozwoli na prowadzenie eksperymentów w warunkach bardziej zbliżonych do rzeczywistych.
      Technika RIFLE polega na wstrzykiwaniu niewielkich ilości płynu zawierającego komórki do rurki obracającej się z prędkością do 9000 rpm. Dzięki tak dużej prędkości komórki równomiernie rozkładają się na wewnętrznych ściankach rurki. Im większa prędkość, tym cieńsza ich warstwa. Dzięki wielokrotnemu powtarzaniu tego procesu można uzyskać wielowarstwową strukturę w kształcie rurki.
      Nie można wykluczyć, że w ten sposób uda się też pozyskiwać tkanki do przeszczepów, jednak to będzie wymagało wielu lat badań laboratoryjnych i testów klinicznych.
      Ze szczegółami można zapoznać się w piśmie Biofabrication.

      « powrót do artykułu
    • By KopalniaWiedzy.pl
      Głowomłot tropikalny, gatunek ryby z rodziny młotowatych, wstrzymuje oddech by utrzymać temperaturę ciała podczas nurkowania na większe głębokości, gdzie poluje na kałamarnice. To było całkowite zaskoczenie. Nie spodziewaliśmy się, że rekiny wstrzymują oddech podczas nurkowania jak morskie ssaki. To niezwykłe zachowanie wspaniałego zwierzęcia, mówi główny autor badań Mark Royer z Shark Research Group na University of Hawai'i.
      Skrzela są naturalnymi radiatorami, które szybko doprowadziłyby do wychłodzenia krwi, mięśni i organów, gdyby głowomłoty nie wstrzymywały oddechu. Głowomłot tropikalny życie w ciepłych wodach, ale zanurza się na głębokości, gdzie temperatura wody spada do 5 stopni Celsjusza. By efektywnie polować, jego ciało musi utrzymać ciepło.
      Oczywistym jest, że oddychające powietrzem atmosferycznym ssaki wstrzymują oddech podczas nurkowania. Ale nie spodziewaliśmy się zaobserwować takiego zachowania u rekinów. To zachowanie wskazuje, że strategie polowania głowomłotów tropikalnych są podobne do strategii ssaków morskich, jak grindwal. Oba gatunki wyewoluowały do polowania na głęboko pływającą zdobycz i oba robią to wstrzymując na krótko oddech w tych fizycznie wymagających środowiskach.
      Naukowcy z Hawajów dokonali niezwykłego odkrycia po przyczepieniu głowomłotom tropikalnym urządzeń, które mierzyły temperaturę mięśni, głębokość nurkowania, orientację ciała i poziom aktywności. Zauważyli, że mięśnie ryby utrzymywały temperaturę podczas nurkowania na duże głębokości, ale pod koniec każdego nurkowania, gdy rekin zbliżał się do powierzchni, gwałtownie się chłodziły. Model komputerowy zasugerował, że głowomłot musi przestawać oddychać, by zapobiec utraty temperatury przez skrzela. Dodatkowym dowodem był materiał wideo, pokazujący rekina z zamkniętymi skrzelami na głębokości 1044 metrów, podczas gdy przy powierzchni skrzela są szeroko otwarte. Nagłe ochłodzenie mięśni pod koniec nurkowania wskazuje, że rekiny zaczynają oddychać gdy wciąż znajdują się w dość zimnych wodach.
      Wstrzymanie oddechu zapobiega utracie ciepła, ale odcina dopływ tlenu. Chociaż rekiny te wstrzymują oddech na 17 minut, to na największych głębokościach spędzają tylko 4 minuty, a następnie szybko wracają do cieplejszych dobrze napowietrzonych wód powierzchniowych. Odkrycie to pozwala nam zrozumieć, jak głowomot tropikalny jest w stanie nurkować na znaczne głębokości i zdobywać tam pożywienie. Pokazuje ono również, że ryba musi utrzymać delikatną równowagę fizjologiczną, mówi Royer.

      « powrót do artykułu
    • By KopalniaWiedzy.pl
      Gdy ponad 100 lat temu z pewnej angielskiej kopalni węgla wydobyto skamieniałą rybią czaszkę, jej odkrywcy z pewnością nie zdawali sobie sprawy, jaką sensację skrywa ich znalezisko. Przeprowadzone niedawno badania tomograficzne wykazały, że w czaszce zwierzęcia sprzed 319 milionów lat zachował się mózg. To najstarszy znany nam dobrze zachowany mózg kręgowca.
      Organ ma około 2,5 cm długości. Widoczne są nerwy, dzięki czemu naukowcy mają szansę na lepsze poznanie wczesnej ewolucji centralnego układu nerwowego promieniopłetwych, największej współcześnie żyjącej gromady ryb, w skład której wchodzi około 30 000 gatunków. Odkrycie rzuca też światło na możliwość zachowania się tkanek miękkich kręgowców w skamieniałościach i pokazuje, że muzealne kolekcje mogą kryć liczne niespodzianki.
      Ryba, której mózg się zachował, to Coccocephalus wildi, wczesny przedstawiciel promieniopłetwych, który żył w estuariach żywiąc się niewielkimi skorupiakami, owadami i głowonogami. Tan konkretny osobnik miał 15-20 centymetrów długości. Naukowcy z Uniwersytetów w Birmingham i Michigan nie spodziewali się odkrycia. Badali czaszkę, a jako że jest to jedyna skamieniałość tego gatunku, posługiwali się wyłącznie metodami niedestrukcyjnymi. Na zdjęciach z tomografu zauważyli, że czaszka nie jest pusta.
      Niespodziewane odkrycie zachowanego w trzech wymiarach mózgu kręgowca daje nam niezwykłą okazję do zbadania anatomii i ewolucji promieniopłetwych, cieszy się doktor Sam Giles. To pokazuje, że ewolucja mózgu była bardziej złożona, niż możemy wnioskować wyłącznie na podstawie obecnie żyjących gatunków i pozwala nam lepiej zdefiniować sposób i czas ewolucji współczesnych ryb, dodaje uczona. Badania zostały opublikowane na łamach Nature.

      « powrót do artykułu
    • By KopalniaWiedzy.pl
      Serce nie jest w stanie regenerować się po uszkodzeniu. Dlatego dla kardiologii i kardiochirurgii ważne są wysiłki specjalistów z dziedziny inżynierii tkankowej, którzy usiłują opracować techniki regeneracji mięśnia sercowego, a w przyszłości stworzyć od podstaw całe serce. To jednak trudne zadanie, gdyż trzeba odtworzyć unikatowe struktury, przede wszystkim zaś spiralne ułożenie komórek. Od dawna przypuszcza się, że to właśnie taki sposób organizacji komórek jest niezbędny do pompowania odpowiednio dużej ilości krwi.
      Bioinżynierom z Harvard John A. Paulson School of Engineering and Applied Sciences udało się stworzyć pierwszy biohybrydowy model komory ludzkiego serca ze spiralnie ułożonymi komórkami serca i wykazać przy tym, że przypuszczenia były prawdziwe. To właśnie takie spiralne ułożenie komórek znacząco zwiększa ilość krwi przepompowywanej przy każdym uderzeniu serca. To ważny krok, który przybliża nas do ostatecznego celu, jakim jest zbudowanie od podstaw serca zdatnego do transplantacji, mówi profesor Kit Parker, jeden z głównych autorów badań. Z ich wynikami możemy zapoznać się na łamach Science.
      Fundamenty dla obecnych osiągnięć amerykańskich naukowców położył 350 lat temu angielski Richard Lower. Lekarz, wśród którego pacjentów znajdował się król Karol II, jako pierwszy zauważył i opisał w Tractatus de Corde, że włókna mięśnia sercowego ułożone są w kształt spirali. Przez kolejne wieki naukowcy coraz więcej dowiadywali się o sercu, jednak badanie spiralnego ułożenia jego komórek było bardzo trudne. W 1969 roku Edward Sallin z Wydziału Medycyny University of Alabama wysunął hipotezę, że to właśnie spiralne ułożenie komórek pozwala sercu na tak wydajną pracę. Jednak zweryfikowanie tej hipotezy nie było łatwe, gdyż bardzo trudno jest zbudować serca o różnych geometriach i ułożeniu włókien.
      Naszym celem było zbudowanie modelu, na którym będziemy w stanie zweryfikować hipotezę Sallina i badać znaczenie spiralnej struktury włókien, stwierdza John Zimmerman z SEAS.
      Naukowcy opracowali metodę o nazwie Focused Rotary Jet Spinning (FRJS). Urządzenie działa podobnie do maszyny produkującej watę cukrową. Znajdujący się w zbiorniku płynny biopolimer wydobywa się z niego przez niewielki otwór, wypychany na zewnątrz przez siły odśrodkowe działające na obracający się zbiornik. Po opuszczeniu zbiornika, z biopolimeru odparowuje rozpuszczalnik i materiał utwardza się, tworząc włóka. Odpowiednią formę włóknom nadaje zaś precyzyjnie kontrolowany strumień powietrza. Dzięki manipulowaniu tym strumieniem, można nadać włóknom odpowiednią strukturę, naśladującą strukturę włókien mięśnia sercowego. Dzięki FRJS możemy precyzyjnie odtwarzać złożone struktury, tworząc jedno- a nawet czterokomorowe struktury, dodaje Hubin Chang.
      Gdy już w ten sposób odpowiednie struktury zostały utkane, na takie rusztowanie naukowcy nakładali na nie szczurze komórki mięśnia sercowego lub ludzkie komórki macierzyste uzyskane z kardiomiocytów. Tydzień później rusztowanie było pokryte wieloma warstwami kurczących się i rozkurczających komórek serca, których ułożenie naśladowało ułożenie włókien biopolimeru.
      Naukowcy stworzyli dwie architektury komór serca. Jedną o spiralnie ułożonych włóknach, drugą o włókach ułożonych okrężnie. Następnie porównali deformację komory, tempo przekazywania sygnałów elektrycznych oraz ilość krwi wyrzucanej podczas skurczu. Okazało się, że komora o promieniście ułożonych włókach pod każdym z badanych aspektów przewyższa tę o ułożeniu okrężnym.
      Co więcej, uczeni wykazali, że ich metoda może być skalowana nie tylko do rozmiarów ludzkiego serca, ale nawet do rozmiarów serca płetwala karłowatego. Z większymi modelami nie prowadzili testów, gdyż wymagałoby to zastosowania miliardów kardiomiocytów.

      « powrót do artykułu
    • By KopalniaWiedzy.pl
      University of Maryland Medical Center informuje o przeprowadzeniu pierwszego w historii udanego przeszczepu serca świni człowiekowi. Biorcą przeszczepu był 57-letni mężczyzna z terminalną chorobą serca, dla którego tego typu zabieg był jedyną opcją terapeutyczną. Po raz pierwszy w historii serce genetycznie zmodyfikowanej świni zostało przeszczepione człowiekowi i nie doszło do natychmiastowego odrzucenia.
      Mam wybór, albo umrzeć, albo poddać się temu przeszczepowi. Chcę żyć. Wiem, że to strzał na oślep, ale to moja jedyna szansa, mówił David Bennett na dzień przed zabiegiem. Mężczyzna był wielokrotnie hospitalizowany.
      FDA (Food and Drug Agency) wydała nadzwyczajną zgodę na przeprowadzenie zabiegu w ostatnim dniu ubiegłego roku. O zgodę taką można starać się w odniesieniu do eksperymentalnych produktów medycznych – w tym wypadku genetycznie zmodyfikowanego świńskiego serca – gdy ich wykorzystanie jest jedyną dostępną opcją u pacjenta z zagrażającą życiu chorobą.
      To przełomowy zabieg, który przybliża nas do momentu rozwiązania problemu z brakiem organów do przeszczepu. Po prostu nie ma tylu dawców z nadającymi się do przeszczepu sercami, by zaspokoić długą listę oczekujących, mówi główny operator profesor Bartley P. Griffith. Postępujemy bardzo ostrożnie, ale też jesteśmy pełni nadziei, że ten pierwszy w historii zabieg da w przyszłości szansę pacjentom.
      Profesor Griffith ściśle współpracował z profesorem Muhammadem M. Mohiuddinem, jednym z najlepszych na świecie specjalistów od przeszczepów organów zwierzęcych (ksenotransplantacji), który dołączył do University of Maryland przed pięcioma laty i wraz z prof. Griffinem stworzyli Cardiac Xenotransplantation Program. To kulminacja wieloletnich bardzo złożonych badań i doskonalenia techniki na zwierzętach, które przeżyły z organem obcego gatunku ponad 9 miesięcy. FDA wykorzystała nasze dane i dane na temat eksperymentalnej świni podczas procesu autoryzowania przeszczepu, mówi Mohiuddin.
      Ksenotransplantacje mogą uratować tysiące ludzi, ale wiążą się z ryzykiem wystąpienia niebezpiecznej reakcji układu odpornościowego biorcy. Może dojść do gwałtownego natychmiastowego odrzucenia i śmierci pacjenta.
      Pierwsze ksenotransplantacje były przeprowadzane już w latach 80. XX wieku, ale w dużej mierze porzucono je po słynnym przypadku Stephanie Fae Beauclair. Dziewczynka urodziła się ze śmiertelną wadą serca, przeszczepiono jej serce pawiana, jednak dziecko zmarło miesiąc później w wyniku reakcji układu odpornościowego. Od wielu jednak lat w kardiochirurgii z powodzeniem wykorzystuje się świńskie zastawki serca.
      Pan Bennett trafił do szpitala na sześć tygodni przed zabiegiem. Został wówczas podłączony do ECMO. Nie kwalifikował się do tradycyjnego przeszczepu, a z powodu arytmii nie mógł mieć wszczepionego sztucznego serca.
      Oprócz eksperymentalnej procedury pacjentowi podawany jest też, obok tradycyjnych środków, eksperymentalny lek zapobiegający odrzuceniu przeszczepu.

      « powrót do artykułu
  • Recently Browsing   0 members

    No registered users viewing this page.

×
×
  • Create New...