Na czym polega w największych szczegółach codzienna tytaniczna praca mięśnia sercowego? Co i jak ją zaburza?
Czy można prowadzić badania nad sercem, nie mając w rękach tego organu jako takiego? Liczące sobie dwa lata dzieło Kita Parkera z Wyss Institute Uniwersytetu Harvarda, choć nie wygląda jak serce, tylko jak płaszczka, a w dodatku jest cyborgiem, może okazać się tu przełomowe.
Mięsień sercowy jest nam niezbędny, a trudny do zastąpienia i niełatwy do uzyskania do przeszczepienia. Sztuczne serca naturalnej wielkości są nadal eksperymentalne, a ksenotransplantacje serca świni zostały zatrzymane z lęku przed globalną epidemią jakiegoś świńskiego retrowirusa. Bioinżynierowie próbują zrozumieć jak najgłębiej działanie serca, by zbudować ten organ w hodowli tkankowej tak, żeby był on prawidłowy i funkcjonalny.
Płaszczka w akwarium
Kit Parker po swoją ?eurekę? udał się z córką do akwarium. Tam zobaczył płaszczkę w jej płynnym, eleganckim ruchu. I postanowił taki właśnie ruch wykrzesać z komórek mięśnia sercowego szczura. Specjalnie genetycznie przekształconych, by były wrażliwe na niebieskie światło w mechanizmie podobnym jak siatkówka oka.
Kit Parker przy wydatnej współpracy swego post-doca, bioinżyniera Sung-Jin Parka, zbudował cyborga wielkości 20-groszówki o wadze 10 g. Cyborg ów, jako ?oddychający? i ?odżywiający? swoje mięśnie całą powierzchnią ciała, nie może być większy. Musi zatem pływać w dobrze natlenionym roztworze glukozy.
Komórki lubią złoto
Najpierw zbudowano złoty szkielet ? jak bowiem wyjaśnia sam pomysłodawca: ?Komórki lubią złoto, dokładnie tak samo jak ludzie?. Następnie projektanci wylali w formie imitującej płaszczkę pierwszą warstwę żelowego polimeru. Dokładnie takiego, jaki wypełnia implanty piersi. Ten z kolei obudowali dwustoma tysiącami szczurzych komórek ? żywych kardiomiocytów. Komórki mięśnia sercowego ułożono niczym serpentyny wokół wspartych złotem żelowych płetw. Na wierzch poszła kolejna warstwa żelu. Gdy oświetlić zastosowane kardiomiocyty szczurze niebieskim światłem, kurczą się one, co opuszcza płynnie fałdy boczne sztucznej płaszczki. Złoty szkielet zatrzymuje na sobie część energii tego napięcia mięśniowego.
Dzięki temu, podczas gdy kardiomiocyty się rozkurczają, fałdy idą płynnie w górę. Tak, skurcz za skurczem, ten półsyntetyczny robot podąża ?głową? do światła. Porusza się sprawnie pomiędzy przeszkodami oraz na różnych głębokościach, w zależności od częstości i natężenia światła, niczym pojazd sterowany radiem. Tak być może będzie wyglądać sztuczne serce przyszłości ? hybryda ludzkiej tkanki i elementów mechanicznych. Szczuropłaszczkowy cyborg nie jest organizmem, bo się nie rozmnoży, ale z pewnością żyje i reaguje.
Ostateczny zatem przepis na nowoczesną medyczną alchemię brzmi: wrzuć do formy szczyptę złota, szczyptę sztucznego biustu i szczyptę serca szczura. Dobrze zamieszaj i postaw post-doca, niech miesza aż do skutku.
Mechanotransdukcja komórkowa
Poprzednie idee cyborgów wykorzystywały żywe komórki na ogół do tego, by się poruszać. Ostatnim pomysłem z tego gatunku jest wykorzystanie zmodyfikowanej komórki glonu ? spiruliny ? do transportowania dowolnych substancji w organizmie wielokomórkowym. Na przykład leków wprost ku komórkom nowotworowym. Tu też genialny okazuje się sam pomysł wykorzystania naturalnego ruchu obecnego w konkretnym typie organizmu ? w tym wypadku mikro. Naukowcy powinni zatem więcej czasu spędzać w zoo czy ogrodach botanicznych i raczej tam karmić swoją wyobraźnię niż w laboratoriach. Ostatecznie okaże się bowiem, że godziny spędzone w pracowni są jedynie dodatkiem do ?inżynierii inspirowanej biologią?.
Z jednej strony, jeśli będziemy jedynie starać się imitować, np. w skali nano, to, co wypracowały natura i matka ewolucja, zdajemy się ograniczać. Z drugiej strony, nasza wyobraźnia pracuje w ten sposób, że zestawia elementy niespotykane razem, ale nie nieistniejące. Innymi słowy: bez trudu wyobrazimy sobie zielonego słonia siedzącego na krze lodowej i grającego na harfie, ale nie ?niewiadomoco?.
Zagadnienie zwane mechanotransdukcją komórkową, tak w układach neuronalnych, jak kardiowaskularnych, jest kluczowe dla przyszłości bioinżynierii tkanek i organów. Mechanotransdukcja to zjawisko wpływu napięcia mechanicznego, kształtu i architektury komórki na jej działanie. Elektrofizjologia dziś dotyczy albo badań pojedynczego kanału jonowego (także mechanoczułego ? wystarczy possać lekko błonę zaczepioną na pipecie w obserwacji typu patch-clamp, a ujawnia się kanały mechanosensytywne), albo całego organu. Pomiędzy tymi ekstremami jest rozległy brak danych. Życie zaś opiera się na skoordynowanej i harmonijnej, niczym ruch płaszczki w wodzie, współpracy wszystkich elementów molekularnych w komórce i tkance. Badacze zatem są zainteresowani jak najpełniejszą odpowiedzią na pytanie, w jaki sposób macierz zewnątrzkomórkowa i cytoszkielet modulują aktywację mechanochemicznych i mechanoelektrycznych ścieżek transdukcji sygnału, aż do uruchamiania konkretnych genów w neuronach czy mięśniówce serca i naczyń krwionośnych. Klasyczne, jeszcze ze szkoły podstawowej pytanie o związek struktury z funkcją? Okazuje się, że tu bez tworów typu szczuropłaszczka dalej ani rusz.
Głód organów do transplantacji jest potężny, więc już dziś stoimy przed koniecznością prac nad ich ?hodowaniem na szalce?. Naukowcy o potencjale intelektualnym oraz wyobraźni Kita Parkera i Sung-Jin Parka mają moc, by takie narządy stworzyć. Dziś w Wyss Institute for Biologically Inspired Engineering na Harvardzie badacz jest zaangażowany w projekty zdawałoby się tak różne jak tworzenie trójwymiarowych ?narządów na chipach? ? czyli życia w krzemie ? i opracowywanie opartych o badania nad macierzą zewnątrzkomórkową nanotekstyliów do stosowania przy regeneracji tkanek. Szczuropłaszczka zaś stanowi podstawę dla większego, finansowanego z NIH i FDA, projektu mikromaszyny płuco-serce. Miałaby ona ostatecznie służyć do testów bezpieczeństwa i skuteczności nowych leków.
Jeśli chcemy zobaczyć osiągnięcia Kita Parkera w akcji, trzeba zajrzeć tu: Cyborg ray: Light-guided robotic stingray powered by heart cells ? November 16, 2016 i tu: 3D-printed heart-on-a-chip with integrated sensors ? October 24, 2016.