Computational modelling reveals advantages of ventricular over atrial cardiomyocytes to power self-guided biorobots

Immaginate un mondo in cui piccole macchine viventi potrebbero nuotare attraverso il vostro flusso sanguigno, dando la caccia a un tumore come un segugio che segue una scia, per poi rilasciare il medicinale proprio alla fonte. Questa non è fantascienza; è la frontiera della "biorobotica". Gli scienziati stanno cercando di costruire robot che non siano fatti di metallo e ingranaggi, ma di cellule viventi. La grande idea è quella di usare cellule che naturalmente vogliono muoversi o contrarsi — come le cellule del muscolo cardiaco — per alimentare questi minuscoli dispositivi. Perché questo è importante? Perché somministrare un medicinale a una persona malata significa solitamente inondare tutto il corpo con i farmaci, il che può danneggiare le parti sane. Se un robot potesse trovare da solo il punto malato, potrebbe consegnare la cura esattamente dove è necessaria, salvando il resto del corpo dagli effetti collaterali. Ma c'è un problema: questi robot devono essere abbastanza intelligenti da trovare la strada e abbastanza forti da muoversi senza bisogno che un essere umano li spinga con magneti o laser dall'esterno.

Questo articolo approfondisce una simulazione al computer per risolvere un enigma specifico: quale tipo di cellula cardiaca costituisce il miglior motore per questi minuscoli robot? I ricercatori hanno costruito un robot virtuale a forma di "H", composto da braccia in silicone morbido e una barra d'oro, ricoperto di cellule cardiache viventi. Volevano vedere se il robot si muoveva meglio se le cellule provenivano dalle camere superiori del cuore (gli atrii) o dalle camere inferiori, più laboriose (i ventricoli). Hanno anche testato se il robot fosse in grado di sterzare autonomamente verso aree con meno ossigeno, che è un segno comune di un tumore. Eseguendo migliaia di gare virtuali, hanno scoperto che il tipo di cellula conta più di quanto chiunque pensasse. Le cellule "ventricolari", che sono naturalmente più forti, hanno fatto correre il robot molto più velocemente e farlo svoltare più bruscamente rispetto alle cellule "atriali", il tutto utilizzando la stessa quantità di energia. Si scopre che scegliere la parte biologica giusta è importante tanto quanto progettare la forma del robot.

La corsa dei robot: Cellule cardiache contro cellule cardiache

Pensate a questo studio come a una gara automobilistica ad alta tecnologia, ma invece dei motori, le auto sono alimentate da minuscole cellule cardiache viventi. I ricercatori hanno creato un robot virtuale a forma di lettera "H". Ha due braccia lunghe fatte di un materiale morbido e deformabile (come un elastico molto elastico) e una rigida barra d'oro che le collega al centro. Per far muovere questo robot, hanno incollato migliaia di cellule cardiache di ratto neonato sulle braccia. Queste cellule hanno un superpotere: si contraggono e si rilassano naturalmente, proprio come batte il vostro cuore.

Per trasformare quella contrazione in movimento in avanti, il robot usa un trucco astuto chiamato "ratchet a frizione". Immaginate un verme di terra o un serpente che si muove sul terreno. Hanno piccole scaglie che fanno presa saldamente sul terreno quando spingono all'indietro, ma scivolano facilmente quando spingono in avanti. Questo robot imita quel movimento. Mentre le cellule cardiache si contraggono, creano un'onda di movimento che viaggia lungo il braccio. Poiché il robot fa presa sul terreno meglio in una direzione rispetto all'altra, ogni contrazione lo spinge un pochino in avanti.

Gli scienziati hanno eseguito una massiccia simulazione per vedere come si sarebbero comportati due diversi tipi di cellule cardiache in questo robot. Hanno confrontato le cellule atriali (dalle camere superiori del cuore) contro le cellule ventricolari (dalle camere inferiori). Nel corpo reale, le cellule ventricolari sono quelle che compiono il lavoro pesante; pompano il sangue a tutto il corpo, quindi sono costruite per essere più forti. Le cellule atriali pompano il sangue solo per una breve distanza verso i polmoni, quindi sono un po' più rilassate.

I risultati sono stati una vittoria schiacciante per le cellule ventricolari. Nella gara in linea retta, il robot alimentato da cellule ventricolari si è mosso 4,35 volte più velocemente di quello alimentato da cellule atriali. È come se uno sprinter battesse un corridore amatoriale con un margine enorme. Ancora più impressionante, non sono andati solo più veloci; erano altrettanto efficienti. Il "costo del trasporto" — che è essenzialmente quanta energia serve per percorrere una certa distanza — era quasi lo stesso per entrambi. Il robot ventricolare ha ottenuto una massiccia accelerazione di velocità senza bruciare più carburante.

Sterzare con l'olfatto: La bussola dell'ossigeno

La seconda parte dell'esperimento è stata ancora più interessante. I ricercatori volevano vedere se il robot potesse sterzare da solo. I tumori e altri tessuti malati hanno spesso bassi livelli di ossigeno (ipossia). Gli scienziati hanno programmato il robot per percepire l'ossigeno. Se un lato del robot percepiva meno ossigeno rispetto all'altro, rallentava quel lato, facendo sì che il robot virasse verso la "scia" dell'area a basso contenuto di ossigeno.

Quando hanno attivato lo sterzo, il robot ventricolare non è andato solo più veloce, ma ha anche sterzato meglio. Ha cambiato direzione 2,91 volte più efficacemente del robot atriale. Perché? Perché le cellule ventricolari erano più forti, la differenza di potenza tra il lato sinistro e quello destro ha creato una curva più netta. È come avere un'auto con un motore potente da un lato e uno debole dall'altro; il lato forte tira l'auto intorno all'angolo in modo molto più deciso.

Cosa significa per il futuro

L'articolo non sostiene che questi robot siano pronti per essere iniettati nei pazienti domani. Questi risultati provengono da un modello al computer, un mondo virtuale dove le regole sono perfette e l'attrito è quello giusto. I ricercatori ammettono che nel mondo reale e disordinato del corpo umano, le cose potrebbero essere un po' diverse. Tuttavia, la simulazione dimostra un punto vitale: la scelta del tipo di cellula è una "variabile di progettazione" che gli ingegneri possono regolare.

Per molto tempo, gli scienziati avrebbero potuto semplicemente scegliere le cellule cardiache più facili da reperire. Questo studio suggerisce che se volete un robot veloce e agile, dovreste scegliere specificamente le cellule ventricolari, dure e forti. È un po' come rendersi conto che se volete un'auto da corsa, non dovete usare un motore qualsiasi; avete bisogno del V8, non del quattro cilindri.

Gli autori concludono che, trattando il tipo di cellula come una scelta di progettazione, possiamo costruire bio-robot migliori. Queste minuscole macchine potrebbero un giorno navigare nei complessi tunnel a basso contenuto di ossigeno di un tumore, consegnando il medicinale direttamente alle cellule cancerose lasciando intatto il tessuto sano. Sebbene il robot in questa storia sia attualmente solo un sogno digitale, la lezione che insegna è reale: nel mondo delle macchine viventi, la biologia che scegliete è importante quanto l'ingegneria che costruite.