Los investigadores de la Universidad de Harvard han realizado una bioingeniería de un modelo tridimensional de un ventrículo izquierdo del corazón humano que podría usarse para estudiar enfermedades, probar medicamentos y desarrollar tratamientos específicos para pacientes para afecciones cardíacas como la arritmia.
El tejido está diseñado con un andamio de nanofibras sembrado con células cardíacas humanas. El andamio actúa como una plantilla 3D, guiando las células y su ensamblaje en cámaras ventriculares que laten in vitro. Esto permite a los investigadores estudiar la función cardíaca utilizando muchos de los mismosherramientas utilizadas en la clínica, incluidos bucles de presión-volumen y ultrasonido.
La investigación se publica en Ingeniería biomédica de la naturaleza .
"Nuestro grupo ha pasado más de una década trabajando para alcanzar el objetivo de construir un corazón completo y este es un paso importante hacia ese objetivo", dijo Kit Parker, profesor de bioingeniería y física aplicada de la familia Tarr en Harvard John A.Paulson School of Engineering and Applied Sciences y autor principal del estudio. "Las aplicaciones, desde la medicina cardiovascular regenerativa hasta su uso como modelo in vitro para el descubrimiento de fármacos, son amplias y variadas".
Parker también es miembro de la facultad central del Instituto Wyss de Ingeniería Biológicamente Inspirada en Harvard, el Instituto de Células Madre de Harvard y el Centro de Ciencia e Ingeniería de Investigación de Materiales de Harvard.
La investigación fue una colaboración entre SEAS, Wyss, Boston Children's Hospital y el Harvard Stem Cell Institute HSCI.
"El objetivo a largo plazo de este proyecto es reemplazar o complementar modelos animales con modelos humanos y especialmente modelos humanos específicos del paciente", dijo Luke MacQueen, primer autor del estudio y becario postdoctoral en SEAS y Wyss ".en el futuro, las células madre del paciente podrían recolectarse y usarse para construir modelos de tejidos que reproduzcan algunas de las características de todo su órgano "
"Se abre una puerta emocionante para crear más modelos fisiológicos de enfermedades reales del paciente", dijo William Pu, Director de Investigación Cardiovascular Básica y Traslacional en el Boston Children's Hospital, Profesor de Pediatría en la Facultad de Medicina de Harvard, miembro principal de la facultad de HSCIy coautor del artículo: "Esos modelos comparten no solo las mutaciones del paciente, sino también todos los antecedentes genéticos del paciente".
La clave para construir un ventrículo funcional es recrear la estructura única del tejido. En los corazones nativos, las fibras miocárdicas paralelas actúan como un andamio, guiando las células cardíacas en forma de ladrillo para alinearse y ensamblarse de extremo a extremo, formando un cono hueco y cónico.estructura en forma. Cuando el corazón late, las células se expanden y contraen como un acordeón.
Para recrear ese andamio, los investigadores utilizaron una plataforma de producción de nanofibras conocida como spin spin, desarrollada en el Grupo de Biofísica de la Enfermedad de Parker. Pull spinning utiliza una cerda giratoria de alta velocidad que se sumerge en un depósito de polímero y extrae una gota de la solución en unchorro. La fibra viaja en una trayectoria en espiral y se solidifica antes de separarse de la cerda y moverse hacia un colector.
Para fabricar el ventrículo, los investigadores utilizaron una combinación de poliéster biodegradable y fibras de gelatina que se recolectaron en un colector giratorio con forma de bala. Debido a que el colector gira, todas las fibras se alinean en la misma dirección.
"Es importante recapitular la estructura del músculo natural para obtener ventrículos que funcionan como sus contrapartes naturales", dijo MacQueen. "Cuando las fibras están alineadas, las células se alinearán, lo que significa que conducirán y se contraerán de la maneraque hacen las células nativas "
Después de construir el andamio, los investigadores cultivaron el ventrículo con miocitos de rata o cardiomiocitos humanos de células madre inducidas. Dentro de tres a cinco días, una delgada pared de tejido cubrió el andamio y las células estaban latiendo en sincronía. A partir de ahí, los investigadores pudieroncontrolar y monitorear la propagación de calcio e insertar un catéter para estudiar la presión y el volumen del ventrículo latiendo.
Los investigadores expusieron el tejido al isoproterenol, un medicamento similar a la adrenalina, y lo midieron a medida que aumentaba la frecuencia del latido tal como lo haría en los corazones humanos y de ratas. Los investigadores también hicieron agujeros en el ventrículo para imitar un infarto de miocardio, y estudiaronEl efecto del ataque al corazón en una placa de Petri que resultó.
Para estudiar mejor el ventrículo durante largos períodos de tiempo, los investigadores construyeron un biorreactor autónomo con cámaras separadas para insertos de válvula opcionales, puertos de acceso adicionales para catéteres y capacidades de asistencia ventricular opcionales.
Utilizando cardiomiocitos humanos de células madre inducidas, los investigadores pudieron cultivar los ventrículos durante 6 meses y medir bucles estables de presión-volumen ". El hecho de que podamos estudiar este ventrículo durante largos períodos de tiempo es una muy buena noticia para estudiar elprogresión de enfermedades en pacientes, así como terapias farmacológicas que tardan un tiempo en actuar ", dijo MacQueen.
A continuación, los investigadores apuntan a utilizar células madre pre-diferenciadas derivadas del paciente para sembrar los ventrículos, lo que permitiría una producción de tejido de mayor rendimiento.
"Comenzamos aprendiendo cómo construir miocitos cardíacos, luego tejidos cardíacos, luego bombas musculares en forma de imitaciones de organismos marinos, y ahora un ventrículo", dijo Parker. "En el camino hemos aclarado algunas de las leyes fundamentales de diseñode bombas musculares e ideas desarrolladas sobre cómo reparar el corazón cuando estas leyes son violadas por una enfermedad. Tenemos un largo camino por recorrer para construir un corazón de cuatro cámaras, pero nuestro progreso se está acelerando ".
Fuente de la historia :
Materiales proporcionado por Harvard John A. Paulson School of Engineering and Applied Sciences . Nota: El contenido puede ser editado por estilo y longitud.
Referencia del diario :
Cite esta página :