Un poisson “bio-hybride” dont les mouvements sont alimentés par le battement de cellules cardiaques humaines
Des chercheurs de l’université de Harvard et de l’université Emory (États-Unis) ont créé un poisson “bio-hybride” à partir de cellules musculaires cardiaques humaines, qui peut nager de manière autonome pendant des mois, au rythme des battements des cellules. Ce projet est une étape originale sur la voie de la production de nouveaux cœurs fonctionnels destinés à être transplantés.
Image d’entête : le nouveau poisson bio-hybride sur un hameçon et qui peut nager grâce à des cellules cardiaques humaines qui battent dans sa queue. (Michael Rosnach/ Keel Yong Lee/ Sung-Jin Park/ Kevin Kit Parker)
Ce n’est pas le premier robot que cette équipe a bricolé à partir de cellules cardiaques. Il y a quelques années, ils ont fabriqué une raie à partir de cellules cardiaques de rats, qui pouvait être dirigée par des impulsions lumineuses. Mais pour ce nouveau modèle, ils sont passés à des cellules de muscle cardiaque dérivées de cellules souches humaines, et ils ont créé un poisson-robot capable de nager tout seul.
L’astuce est que ce poisson bio-hybride possède une couche de cellules cardiaques de chaque côté de sa nageoire caudale qui se contractent et s’étirent en alternance. Chaque fois qu’un muscle s’étire ou se contracte, il ouvre un canal protéique, un canal ionique sensible au mouvement, ce qui déclenche le mouvement inverse. Un nœud semblable à un stimulateur cardiaque aide à maintenir la fréquence et le rythme, créant ainsi un système en boucle fermée qui permet au poisson de se déplacer par ses propres moyens pendant plus de 100 jours.
Chaque battement de la queue du poisson biohybride provient de deux couches de cellules cardiaques qui battent en alternance. (Michael Rosnach/ Keel Yong Lee/ Sung-Jin Park/ Kevin Kit Parker)
Selon Keel Yong Lee, coauteur de l’étude :
En exploitant la signalisation mécano-électrique cardiaque entre deux couches de muscles, nous avons recréé le cycle où chaque contraction se produit automatiquement en réponse à l’étirement du côté opposé. Les résultats mettent en évidence le rôle des mécanismes de rétroaction dans les pompes musculaires telles que le cœur.
L’équipe précise que le poisson bio-hybride a réellement progressé au cours du premier mois. Au fur et à mesure de la maturation des cellules cardiomyocytes, la coordination musculaire, l’amplitude de contraction et la vitesse de nage du poisson ont toutes augmenté. Finalement, le poisson bio-hybride était capable de nager à peu près aussi vite et efficacement qu’un poisson-zèbre vivant.
Mais le but de ces travaux n’est pas de fabriquer des robots plus performants, mais de mieux comprendre le cœur, afin d’étudier des maladies comme l’arythmie et, à terme, de fabriquer de meilleures prothèses. La fabrication d’un robot poisson peut sembler être un moyen détourné d’étudier le cœur, mais l’équipe affirme qu’elle peut lui donner un aperçu unique du fonctionnement exact de cet organe.
Selon Kit Parker, auteur principal de l’étude :
Notre objectif ultime est de construire un cœur artificiel pour remplacer un cœur malformé chez un enfant. La plupart des travaux de construction de tissus cardiaques ou de cœurs, y compris certains travaux que nous avons réalisés, se concentrent sur la reproduction des caractéristiques anatomiques ou sur la reproduction du simple battement du cœur dans des tissus d’ingénierie. 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.
L’étude publiée dans Science : An autonomously swimming biohybrid fish designed with human cardiac biophysics et présentée sur le site de l’Université Biohybrid fish made from human cardiac cells swims like the heart beats.