ロボットの魚は本物の魚よりも速く泳ぎます!人間の心筋細胞から作られた紙の魚は108日間自律的に泳ぐことができる

米国のハーバード大学とエモリー大学の研究者らが協力し、ヒト幹細胞から抽出した心筋細胞を使った「人工魚」を開発した。 このバイオハイブリッドデバイスは、生物部品と人工部品の両方を備えており、心臓の鼓動と同じ仕組みである心筋細胞の収縮と拡張のリズムを通じて、水中で100日以上自律的に泳ぐことができます。この成果は、活動的な筋肉細胞から作られた人工心臓の開発に役立ち、不整脈などの心臓病の研究の基盤を提供します。 関連論文は2022年2月10日にサイエンス誌に掲載されました。

人工心筋細胞が紙の魚を泳がせる仕組み

人間の心臓は、脳からの信号を必要とせずに自動的に血液を送り出すことができます。これは、心筋細胞内の電気信号と機能的構造的フィードバックによって実現されます。しかし、このプロセスは研究者によって完全には理解されていない。ハーバード大学の研究者キット・パーカー氏とその同僚は、心筋リズムの物理的プロセスをより深く理解するために、プラスチック紙、バイオゲル、および人間の心筋細胞で作られた 2 つの「ひれ」を使用して生物学的合成魚を作成した。 2012年、研究チームはラットの心筋細胞を使用してクラゲの形をしたバイオ複合ポンプを作成した。 2016年、研究チームはラットの心筋細胞を使って泳げる人工アカエイを作った。 このバイオレメディアル魚は拮抗筋二重層と幾何学的に絶縁された心臓組織を持ち、節にはヒト幹細胞由来の心筋細胞が含まれています。

人工魚の構造模式図と実際の魚との遊泳速度の比較。生物合成魚の二重層筋肉構造では、両側の心筋細胞層が機械的に結合されているため、片側の筋肉の収縮が反対側の筋肉の軸方向の伸張に直接変換され、拮抗筋の興奮と収縮が起こります。 魚の体は5つの異なる部分で構成されています。 1 層目はヒト幹細胞から抽出した心筋組織、次の層はレーザーを使用して作成した段ボールの層、その次に動物性接着剤の層、さらに紙の層、最後に筋肉組織の層が続きます。 尾びれは、2層の心筋細胞が結合している部分です。ひれの片側の細胞が収縮すると、反対側の細胞が拡張し、このサイクルが繰り返されます。この循環により尾びれが前後に揺れ、人工魚が推進されます。 生合成魚の片側の自発的な活性化と収縮は、筋肉組織間の機械的結合を通じて、もう一方の側の拮抗的な収縮につながる可能性があります。 これらの自発的な反対方向の収縮により、魚はリズミカルに交互に屈曲する動きを行い、前進する泳ぎを生み出します。

研究チームは、筋肉二重層の運動学的特徴を体系的に表現するために、外部からの光刺激を通じて生合成魚の拮抗筋の収縮を制御した。 人工魚の筋肉二重層は、青色と赤色の LED 光のパルスによって交互に刺激されました。赤色光刺激下では、左側の筋肉組織が収縮し始め、青色光刺激下では、右側の筋肉組織の収縮が誘発され、尾がほぼ真っ直ぐな姿勢で引っ込んだ。前進するためにリズミカルで継続的な前進力を生み出します。

光刺激駆動実験記録

人工魚で心臓のリズムを再現

次に研究者らは、ヒト幹細胞由来の心筋細胞で再構築された筋肉拮抗筋が機械的および電気的信号を通じて自発的な律動収縮を維持できることをテストで確認した。 研究チームはまた、洞房結節の機能を模倣し、心筋細胞を定期的に刺激できる結節人工臓器を開発し、研究者らはこれをG結節と呼んでいる。 「これにより、実際の収縮性生物構造で心拍の規則性がどのように発生するかについて、まったく新しい理解が得られます」と、キングス カレッジ ロンドンの Mathias Gautel 氏は言います。洞房結節の電気的絶縁構造を再現するために、研究者は、電流灌流イオン チャネルを介して、シミュレートされた洞房結節の G 節と筋肉組織間の電気的接続を確立しました。 このように、バイオハイブリッド魚の筋肉二重層と G ノードは一緒になって、筋肉の拮抗作用を調節する連続的なリズムを生成することを可能にし、その結果、自発的で協調的な体と尾びれの動きが実現します。 キット・パーカー氏によると、「粘土で心臓を形作るのは誰でもできます。腫瘍細胞を培養皿に注ぎ、細胞集団が増殖して自発的に拍動する腫瘍塊に成長し、それを心臓のような生物と呼ぶことは誰でもできます。これらの動作のどれも、人の生涯で数十億回拍動し、同期して細胞を修復できる臓器の基本的な生態学的物理学を真に再現することはできません。これが本当の難しさであり、私たちの研究の焦点でもあります。」実験で使用された人工魚は108日間泳ぎ、3,800回の心拍に相当する自動動作を実行し、同じサイズの本物の魚よりも速く泳いだ。

ロンドン大学キングス・カレッジのマティアス・ガウテル氏は、「すべてが順調に進めば、生きた動物の心臓から抽出された主要細胞は、通常、試験管内で2～4週間生存できる。ハーバード大学の研究チームは、この期間を小動物のライフサイクルとほぼ同じ長さまで延ばすことができた。これは驚くべき成果だ」と語った。

「被験者を保育器に入れ、その後...忘れてしまいました。」

しかし、この実験の成功の背後には、他にも興味深い要因があります。 「基本的に私たちは魚を孵卵器に入れて、2、3週間はそれを忘れていました」とソンジン・パークさんは言う。彼は以前、ハーバード大学の疾患生物物理学グループの博士研究員でした。彼は人工魚に関する論文の共著者でもある。 「孵卵器を開けると、たくさんの魚が泳いでいるのが見えました。」

しかし、キット・パーカーの最も差し迫った目標は捕まらないことだ。 「冗談ではありません。前回、人工バイオ複合体に取り組んでいたとき、ボストンの司法省が、私たちがNIHの資金を乱用していないか調査し始めました。」この調査は、プロジェクトに携わっていたNIHの職員3人が研究の科学的成果について論じた論文を発表したことで終了した。 「研究方法が革新的すぎると、誰もが受け入れるとは限りません。しかし、型破りな研究方法と無茶なナンセンスには違いがあります。誰もがこの違いを理解し始めていると思います」。「ですから、最も緊急なことは逮捕されないことです。逮捕されて初めて、私たちは科学研究を続けることができます。私たちの長期的な目標は、心臓病の子供たちを救うことです」とキット・パーカー氏は語った。

将来の目標と応用シナリオ

「私たちの究極の目標は、小児患者の欠陥心臓を本当に置き換えることができる人工の生きた心臓を作ることです」とパーカー氏は語った。「再生医療研究のために体外で人間の心臓を作ろうとする人たちは、いつも心臓の解剖学的構造を完全に再現するか、体外の触媒心筋組織に単純な拍動を再現させることを考えています。しかし、私たちのチームの設計は、心臓の働きの生物物理学的法則を再現することであり、これははるかに困難です。心臓の構造を単に設計図として使用し、レゴのような動作を構築するのではなく、心臓の拍動の生物物理学的基礎を決定し、それを主な設計指標として使用し、観察しやすい生きた魚にしたいと考えています。」心筋のポンプ作用を制御するこれらの法則を理解することは、心臓病の治療を改善するのに役立ちます。 心筋細胞を持つ人工魚のおかげで、研究者は心臓の機能をより深く理解できるようになりました。これまで科学者たちは、人間の心臓が拍動間の拡張期にあるとき、血液が受動的に心室を満たすと信じてきました。合成魚の収縮と膨張の記録は、このプロセスがより活発である可能性を示唆している。パーカー氏は、研究チームは現在、この研究成果を人工心臓の開発に応用することを目指しており、「この研究で得られた成果を小児心臓病や再生医療などの分野の拡大に応用することを目指しており、次のバイオ複合デバイスを開発したい」と述べた。パーク氏は将来、これらの人工動物を宇宙に送りたいと語った。彼はそれが微小重力によって引き起こされる筋萎縮を研究する良い方法だと考えた。宇宙の無重力環境で筋肉組織がどのように弱くなるかを研究することも可能です。 宇宙飛行士は、宇宙で長時間過ごすと筋肉が失われるという現象をよく知っています。パク氏は、ここで得られた知見を、老化が筋萎縮を引き起こす仕組みの研究にも応用できるかもしれないと述べた。

他の人々も上記の研究結果をそれぞれの研究分野に応用し始めました。ボストン小児病院の心臓専門医ウィリアム・プール氏はパーカー氏のチームと協力して、「組織チップ」の臨床試験の実施方法を研究している。これらの微小組織チップは、微細な生きた心臓組織のようなもので、組織提供者に害を与えることなく実験や研究を進めることができます。パーカー氏とプール氏は2021年から、この試験のデータを使い、実験室で小児の心臓病をシミュレートし、薬物介入、ペースメーカーの埋め込み、その他の生命維持介入をテストし始めた。 人工心臓を人間に移植するという長年の目標が、確実に実現に向かっている。