Kunstmatige kwal pompt als een hart

Kunstmatige kwal pompt als een hart

Het ziet eruit als een kwal. Het zwemt ook als een kwal. Maar gezien zijn DNA is het een rat. Over welk schepsel het hier gaat? Over een kunstmatige kwal, gebouwd door een team van Amerikaanse onderzoekers uit siliconen en de spiercellen van een rattenhart.

Ze pompen allebei. Kwallen en menselijke harten. Kwallen gebruiken pompende spieren om zichzelf voort te stuwen door het water. En menselijke harten, ook spierweefsel, pompen om bloed via de aderen door het lichaam te krijgen. Doordat deze bewegingen op hetzelfde mechanisme gebaseerd zijn, is de kwal een goed model voor onderzoekers om spierweefsels te bouwen: een technologie die op een dag harten of andere organen voor patiënten moet opleveren.

In het tijdschrift Nature Biotechnology beschrijven Kevin Kit Parker van Harvard University en Janna Nawroth van California Institute of Technology hoe zij een kunstmatige kwal uit siliconen en rattencellen ontwierpen nadat ze de beweging van jonge kwalletjes hadden bestudeerd.

Spaken in een wiel

Jaren bestudeerden de twee onderzoeksgroepen samen hoe een kwal zichzelf voortstuwt: de indeling van de spieren, hoe hun lichaam samentrekt en ontspant, en hoe stromingen in het water deze beweging helpen of hinderen. Hiervoor bekeken ze jonge oorkwallen (Aurelia aurita), die slechts zes millimeter groot zijn.

Deze beestjes zwemmen op een ritme. Eerst trekken ze hun spieren snel en allemaal tegelijkertijd samen, waarbij ze water verdrijven en de vorm aannemen van een koepel. Daarna ontspant hun lichaam heel langzaam en worden ze plat, zich klaarmakend voor een nieuwe ronde spiersamentrekkingen. Hun simpele lichaam bestaat uit één spierlaag, met spiervezels die vanaf een centrale ring uiteenlopen, zoals de spaken van een wiel. Door de spieren lopen elektrische signalen, net als in een hart, die de spieren doen samentrekken.

Elektrisch veld

Met de opgedane kennis op zak begonnen Kit Parker en zijn collega’s een kunstmatige kwal te ontwerpen. Ze maakten van siliconen een dun gelachtig laagje met acht uitlopers. Jonge oorkwallen hebben namelijk, in tegenstelling tot hun volwassen soortgenoten, acht ‘armen’ aan hun lichaam (zie bovenstaand plaatje). Op de siliconenlaag drukten ze een eiwitpatroon dat lijkt op de natuurlijke architectuur van de spieren in een echte kwal. Dat eiwitpatroon diende vervolgens als houvast voor de groei van geïmplanteerde hartcellen van een rat.

Het ontstane spierfweefsel werkte naar behoren. Toen de siliconenkwal werd ondergedompeld in een bak water waarover een elektrisch veld stond, trokken de spieren samen en kwam het schepsel in beweging zoals te zien is in onderstaand filmpje.

Het klinkt als een leuk tijdverdrijf voor wetenschappers: knutselen met dood en levend materiaal om vreemde schepsels te ontwerpen. Maar er zit wel degelijk nut achter deze inspanning. De onderzoekers hopen dat dit soort creaties kunnen helpen om betere kunstmatige harten en andere spierorganen te bouwen.

En op korte termijn kan deze technologie testen of nieuwe hartmedicijnenen de pompfunctie van het hart verbeteren, voordat we onze toevlucht nemen tot echte proefdieren. Zoals Kit Parker het verwoordde in een interview met Discover Magazine: “Heb je een hartmedicijn? Laat het me op mijn kwal gooien, en ik vertel je of het het pompen kan verbeteren.”

Nu met brein

De eerste kunstmatige kwal is een feit. Maar er zijn nog veel aanpassingen te bedenken die het ontwerp moeten verbeteren. Te beginnen met het implanteren van menselijke hartcellen op de siliconenlaag, in plaats van rattencellen. Ook willen de onderzoekers het ontwerp nog verfijnen, zodat de kwal in een specifieke richting kan bewegen en kan draaien.

Ze willen op den duur zelfs een soort simpel brein inbouwen wat de kwal in staat moet stellen op zijn omgeving te reageren, zoals naar het licht bewegen en zoeken naar voedsel en energie. Mocht dat mogelijk blijken, dan komen er interessante toepassingen om de hoek kijken. We kunnen bijvoorbeeld gaan denken aan systemen die jarenlang in het menselijk lichaam kunnen verblijven zonder ons druk te maken om batterijen die op raken. Zo’n systeem kan dan voor zichzelf zorgen. Denk eens aan een pacemaker die draait op voedingsstoffen uit ons lijf, in plaats van op batterijen.

Maar zo’n vaart zal het voorlopig niet lopen. De toepassing ligt nu vooral op het testen van medicijnen. Voor dit doel hebben de onderzoekers op gebruik van hun kwal al een patent aangevraagd.

Bron:

Janna C Nawroth e.a., A tissue-engineered jellyfish with biomimetic propulsion, Nature Biotechnology (22 juli 2012, online)

Dit nieuwsbericht verscheen 25 juli 2012 op Kennislink

Reageer