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Le dispositif permet de mieux comprendre les pompes musculaires artificielles, une étape vers la construction d’un cœur artificiel.
Des chercheurs de l’Université de Harvard, en collaboration avec des collègues de l’Université Emory, ont développé le premier poisson biohybride entièrement autonome à partir de cellules musculaires cardiaques dérivées de cellules souches humaines. Le poisson artificiel nage en recréant les contractions musculaires d’un cœur qui pompe, ce qui rapproche les chercheurs du développement d’une pompe musculaire artificielle plus complexe et fournit une plateforme pour étudier les maladies cardiaques comme l’arythmie.
Le premier poisson biohybride entièrement autonome fabriqué à partir de cellules musculaires cardiaques dérivées de cellules souches humaines. Crédit : Michael Rosnach, Keel Yong Lee, Sung-Jin Park, Kevin Kit Parker.
“Notre objectif ultime est de construire un cœur artificiel pour remplacer le cœur malformé d’un enfant”, a déclaré Kit Parker, titulaire de la chaire Tarr Family de bio-ingénierie et de physique appliquée à la Harvard John A. Paulson School of Engineering and Applied Sciences (SEAS) et auteur principal de l’article. “La plupart des travaux sur la fabrication de tissus cardiaques ou de cœurs, y compris certains de nos travaux, sont axés sur les points suivants reproduire les caractéristiques anatomiques ou à reproduire le simple battement du cœur dans les tissus artificiels. Mais ici, nous nous inspirons de la biophysique du cœur pour la conception, ce qui est plus difficile à faire. Maintenant, plutôt que d’utiliser l’imagerie cardiaque comme un plan, nous identifions les principes biophysiques clés qui font fonctionner le cœur, nous les utilisons comme critères de conception et nous les reproduisons dans un système, un poisson vivant et nageant, où il est beaucoup plus facile de voir si nous avons réussi.”
La recherche est publiée dans Science.
Le poisson biohybride développé par l’équipe s’appuie sur des recherches antérieures du groupe de biophysique des maladies de Parker. En 2012, le laboratoire a utilisé des cellules de muscle cardiaque de rats pour construire une pompe biohybride ressemblant à une méduse et en 2016, les chercheurs ont développé une nage, pastenague artificielle également à partir de cellules de muscle cardiaque de rat.
Dans cette recherche, l’équipe a construit le premier dispositif biohybride autonome fabriqué à partir de cardiomyocytes dérivés de cellules souches humaines. Ce dispositif a été inspiré par la forme et le mouvement de nage d’un poisson zèbre. Contrairement aux dispositifs précédents, le poisson-zèbre biohybride possède deux couches de cellules musculaires, une de chaque côté de la nageoire caudale. Lorsqu’un côté se contracte, l’autre s’étire. Cet étirement déclenche l’ouverture d’un canal protéique mécanosensible, qui provoque une contraction, laquelle déclenche un étirement et ainsi de suite, ce qui aboutit à un système en boucle fermée qui peut propulser le poisson pendant plus de 100 jours.
Il s’agit du premier dispositif biohybride autonome fabriqué à partir de cardiomyocytes dérivés de cellules souches humaines. Ce dispositif a été inspiré par la forme et le mouvement de nage d’un poisson zèbre. Contrairement aux dispositifs précédents, le poisson zèbre biohybride possède deux couches de cellules musculaires, une de chaque côté de la nageoire caudale. Lorsqu’un côté se contracte, l’autre s’étire. Cet étirement déclenche l’ouverture d’un canal protéique mécanosensible, qui provoque une contraction, laquelle déclenche un étirement et ainsi de suite, ce qui aboutit à un système en boucle fermée qui peut propulser le poisson pendant plus de 100 jours. Source : Keel Yong Lee, Sung-Jin Park, David G. Matthews, George Lauder, Kevin Kit Parker.
“En tirant parti de la signalisation mécano-électrique cardiaque entre deux couches de muscles, nous avons recréé le cycle où chaque contraction résulte automatiquement en réponse à l’étirement du côté opposé”, a déclaré Keel Yong Lee, chercheur postdoctoral au SEAS et coauteur principal de l’étude. “Les résultats mettent en évidence le rôle des mécanismes de rétroaction dans les pompes musculaires telles que le cœur”.
Les chercheurs ont également conçu un nœud de stimulation autonome, comme un stimulateur cardiaque, qui contrôle la fréquence et le rythme de ces contractions spontanées. Ensemble, les deux couches de muscles et le nœud de stimulation autonome ont permis de générer des mouvements de nageoires continus, spontanés et coordonnés d’avant en arrière.
“Grâce aux deux mécanismes de stimulation internes, nos poissons peuvent vivre plus longtemps, se déplacer plus rapidement et nager plus efficacement que les travaux précédents”, a déclaré Sung-Jin Park, ancien boursier postdoctoral du groupe de biophysique des maladies à SEAS et coauteur principal de l’étude. “Cette nouvelle recherche fournit un modèle pour étudier la signalisation mécano-électrique en tant que cible thérapeutique de la gestion du rythme cardiaque et pour comprendre la pathophysiologie des dysfonctionnements du nœud sinusal et des troubles du rythme cardiaque.arythmie.”
Schémas d’un poisson biohybride nageant de manière autonome. Crédit : Michael Rosnach, Keel Yong Lee, Sung-Jin Park, Kevin Kit Parker.
Park est actuellement professeur adjoint au département Coulter d’ingénierie biomédicale de l’Institut de technologie de Géorgie et de la faculté de médecine de l’Université Emory.
Contrairement à un poisson dans votre réfrigérateur, ce poisson biohybride s’améliore avec l’âge. L’amplitude de ses contractions musculaires, sa vitesse de nage maximale et sa coordination musculaire ont augmenté au cours du premier mois, à mesure que les cellules cardiomyocytaires arrivaient à maturité. Finalement, le poisson biohybride a atteint une vitesse et une efficacité de nage similaires à celles du poisson zèbre sauvage.
Ensuite, l’équipe vise à construire des dispositifs biohybrides encore plus complexes à partir de cellules cardiaques humaines.
“Je pourrais construire un modèle de cœur en Play-Doh, cela ne signifie pas que je peux construire un cœur”, a déclaré Parker. “Vous pouvez cultiver des cellules tumorales au hasard dans un plat jusqu’à ce qu’elles se transforment en une masse palpitante et l’appeler un organoïde cardiaque. Aucun de ces efforts ne pourra, à dessein, récapituler la physique d’un système qui bat plus d’un milliard de fois au cours de votre vie tout en reconstruisant ses cellules à la volée. C’est là que réside le défi. C’est là que nous allons travailler.”
Référence : “An autonomously swimming biohybrid fish designed with human cardiac biophysics” par Keel Yong Lee, Sung-Jin Park, David G. Matthews, Sean L. Kim, Carlos Antonio Marquez, John F. Zimmerman, Herdeline Ann M. Ardoña, Andre G. Kleber, George V. Lauder et Kevin Kit Parker, 10 février 2022, Science.
DOI : 10.1126/science.abh0474
Cette recherche a été co-écrite par David G. Matthews, Sean L. Kim, Carlos Antonio Marquez, John F. Zimmerman, Herdeline Ann M. Ardona, Andre G. Kleber et George V. Lauder.
Ce projet a été soutenu en partie par la subvention UH3TR000522 du National Institutes of Health National Center for Advancing Translational Sciences, et par la subvention DMR-142057 du National Science Foundation Materials Research Science and Engineering Center.
