Wetenschappers hebben een robotvisje met menselijke hartspiercellen gemaakt dat zelfstandig zwemt. Ze willen hiermee een bijdrage leveren aan de ontwikkeling van een werkend biologisch kunsthart.
Al zwiepend met zijn staart zwemt hij door zijn aquarium. Van een afstand lijkt het een visje, maar in werkelijkheid is het een biohybride robotje (een combinatie van technische en biologische componenten) dat het onderzoek naar de ontwikkeling van een kunstmatig hart verder helpt. Het staartje bestaat namelijk uit opgekweekte menselijke hartspiercellen en het robotvisje zwemt zelfstandig doordat de spiercellen de samentrekkingen van een pompend hart nabootsen.
‘Sommige ingenieurs bouwen dingen van staal, sommige van plastics en sommige van keramiek. Wij bouwen dingen van levende cellen’, zegt Kit Parker, hoogleraar bio-engineering aan de Amerikaanse Harvard-universiteit en een van de ontwikkelaars van het biohybride visje, waarover een publicatie verscheen in het wetenschappelijke tijdschrift Science. ‘Leren bouwen met levende cellen is belangrijk als we dit ooit van een kunstvorm naar een technisch model voor regeneratieve geneeskunde willen brengen.’
Heersen zwermen killerdrones straks over het slagveld?
Een luchtruim gevuld door kunstmatig intelligente killerdrones, die autonoom bepalen wie blijft leven en wie zal sterven. Hoe waarschijnlijk is dat?
Het uiteindelijke doel van deze wetenschappers is een volledig werkend biologisch kunsthart voor kinderen die geboren worden met hartproblemen.
Samentrekken en oprekken
Een hart namaken is niet eenvoudig. Het is een robuuste, biologische machine die het bloed door je lichaam pompt, met geluk tachtig tot honderd jaar onafgebroken. Dat zijn ongeveer 3,5 miljard hartslagen. Je hart bestaat uit een paar miljard spiercellen die gecoördineerd samenwerken voor deze bewegingen. ‘Om uiteindelijk een kunstmatig hart te kunnen maken, werken we nu aan het bouwen van een beter model om deze spieractiviteiten en -functies op weefselniveau te bestuderen,’ zegt Sung Jin Park van de Amerikaanse Emory-universiteit, ook betrokken bij het onderzoek.
Om het collectieve gedrag van hartspieren op weefselniveau te bestuderen, ontwikkelde de Amerikaanse onderzoeksgroep eerder een kunstmatig kwalletje en een rog van velletjes gekweekt hartspierweefsel van ratten. Nu gaan ze een stap verder door menselijke hartspiercellen te kweken en een tweede laag spierweefsel te gebruiken. Ze bouwden een vissenstaart uit twee laagjes spierweefsel met daartussen gelatine. Als de ene spier samentrekt, wordt de andere opgerekt. Dat oprekken activeert in de spier een eiwit dat op zijn beurt voor een samentrekking zorgt, waardoor de andere spier oprekt.
Dit proces van samentrekken en oprekken blijft zich herhalen, waardoor de staart op een visachtige manier heen en weer zwiept. Door een soort vissenkop en een staartvinnetje toe te voegen, maakten de onderzoekers een biohybride visje van bijna 14 millimeter groot. Om hem rechtop door het water te laten zwemmen, heeft hij aan weerszijden een stabiliserende plastic vin.
Lichtgevoelig
Net als bij de kunstrog zijn de spiercellen lichtgevoelig gemaakt. Hierdoor trekt het ene stukje spierweefsel samen bij rood licht en de andere bij blauw licht. ‘Met het licht kunnen we de biohybride visjes laten beginnen en stoppen met zwemmen en hun snelheid controleren,’ vertelt Park. ‘Zodra ze geactiveerd zijn, zwemmen ze zelfstandig, zonder licht.’ De vissen kunnen zichzelf meer dan honderd dagen voortstuwen. Dit geeft het spierweefsel tijd om sterker te worden. Na ongeveer twintig dagen zwom het biohybride visje net zo efficiënt als een echte vis van vergelijkbare grootte.
Biologische pacemaker
Door de weerstand van het water vertragen de vissen wel. Om te voorkomen dat ze stoppen, bootsen de onderzoekers een soort biologische pacemaker na. Net als in het hart, houdt die het samentrekritme op gang.
‘Het is leuk en mooi onderzoek, waarin techniek en biologie wordt gecombineerd’, zegt Berend van Meer, expert op het snijvlak van engineering en medicijnen aan het Leids Universitair Medisch Centrum. ‘De zwembeweging van een visje lijkt heel wat anders dan het kloppen van een hart, maar ze laten daarmee wel zien dat ze de hartspiercellen goed kunnen controleren en ermee kunnen bouwen.’
Een volledig kunsthart is nog wel ver weg, vervolgt Van Meer. ‘Dit is een klein, plat stukje spiercellen terwijl het hart bestaat uit een veel grotere, dikkere laag spierweefsel waar bijvoorbeeld ook bloedvaten doorheen lopen. Maar gecontroleerde, kleine stukjes weefsel kunnen gebruikt worden voor modellen om medicijnen te testen of hartziektes te bestuderen. En uiteindelijk is het misschien ook een bouwsteen van een kunsthart.’
