Ha tutto l’aspetto di un pesce e si muove come si muovono i pesci, spingendo la pinna caudale a destra e a sinistra. Ma non lo fa in modo fluido. Le oscillazioni sono ritmate, puntuali, costanti, come le pulsazioni del battito cardiaco. E infatti quello che nuota all’interno di una vaschetta in un laboratorio di bioingegneria dell’Università di Harvard non è un pesce esistente in natura, ma il primo automa bioibrido realizzato con le cellule cardiache (cardiomiociti) derivate da cellule staminali umane. Che abbia la forma di un pesce è poco rilevante, il motivo per cui ne stiamo parlando è un altro: per la prima volta gli scienziati di Harvard in collaborazione con i colleghi della Emory University sono riusciti a riprodurre artificialmente la contrazione dei muscoli del cuore in un sistema chiuso che si auto alimenta. 

È il primo passo verso lo sviluppo di organi artificiali complessi ma prima di arrivare a tanto può funzionare come modello affidabile per studiare le anomalie del ritmo cardiaco. 

Il pesce bioibrido, descritto su Science, è ispirato allo zebrafish uno degli organismi più sfruttati per le sperimenazioni in laboratorio, gli somiglia nella forma e nel modo di muoversi. Ogni lato della pinna caudale è ricoperto da due strati di cellule muscolari. Quando una parte si contrae, l’altra si distende. L’allungamento in risposta alla contrazione innesca l’apertura di un canale proteico meccanosensibile, che a sua volta provoca una nuova contrazione, che produce l’allungamento e così via.  Si tratta quindi di un sistema a circuito chiuso che può consentire al pesce di nuotare per più di 100 giorni. 

«La maggior parte del lavoro nella costruzione di tessuti o cuori cardiaci, compresi alcuni lavori che abbiamo svolto, si concentra sulla replica delle caratteristiche anatomiche o sulla replica del semplice battito del cuore nei tessuti ingegnerizzati. Ma qui ci siamo lasciati ispirare dal design dalla biofisica del cuore, che è più difficile da realizzare. Ora, invece di usare l'imaging cardiaco come modello, stiamo identificando i principi biofisici chiave che fanno funzionare il cuore, usandoli come criteri di progettazione e replicandoli in un sistema, una vita, pesci che nuotano, dove è molto più facile vedere se si ha successo», ha dichiarato Kit Parker, bioingegnere all’ Harvard John A. Paulson School of Engineering and Applied Sciences (SEAS) e autore senior dello studio. 

I ricercatori hanno anche progettato un dispositivo di stimolazione autonomo, come un pacemaker, che controlla la frequenza e il ritmo di queste contrazioni spontanee. Insieme, i due strati muscolari e il nodo di stimolazione autonomo hanno consentito la generazione di movimenti della pinna avanti e indietro continui, spontanei e coordinati.

«Questa nuova ricerca fornisce un modello per studiare la segnalazione meccano-elettrica come obiettivo terapeutico della gestione del ritmo cardiaco e per comprendere la fisiopatologia nelle disfunzioni del nodo senoatriale e nell'aritmia cardiaca», ha dichiarato Sung-Jin Park, coautore principale dello studio. 

Il pesce bioibrido migliora con l'età. La sua ampiezza di contrazione muscolare, la velocità massima di nuoto e la coordinazione muscolare sono aumentate nel primo mese grazie alla maturazione delle cellule dei cardiomiociti. Alla fine, il pesce bioibrido ha raggiunto velocità ed efficacia di nuoto simili al pesce zebra in natura.

La ricerca prosegue con l’obiettivo di costruire dispositivi bioibridi ancora più complessi da cellule cardiache umane.