Transplantul de cord artificial, mai aproape de realitate: o nouă metodă de bioinginerie permite recrearea in vitro a structurii și funcției mușchiului cardiac
Primul model artificial de ventriculi care au cardiomiocitele aliniate helicoidal, la fel ca într-o inimă naturală umană, a fost construit de bioinginerii din cadrul Harvard John A. Paulson School of Engineering and Applied Sciences (SEAS), demonstrând totodată că acest aranjament al fibrelor la nivelul cordului are un impact extrem de ridicat asupra cantităţii de sânge care este pompată de inimă la fiecare contracţie. Aceste rezultate, publicate în Science, au putut fi obţinute prin dezvoltarea unei noi tehnologii, numite FRJS (focused rotary jet spinning), care permite depunerea polimerilor sub forma unor fibre lungi și subțiri, cu o anumită orientare, la scară micrometrică.
„Acest studiu este un pas important pentru biofabricarea organelor și ne aduce mai aproape de obiectivul nostru final de a construi o inimă umană pentru transplant”, a afirmat Kevin Kit Parker, autor al studiului şi profesor de bioinginerie şi fizică aplicată la SEAS.
Bolile cardiovasculare sunt principala cauză de deces la nivel mondial. Leziunile cordului, odată instalate, nu se pot repara, astfel că dobândirea unei noi inimi complet funcţionale poate fi realizată doar prin înlocuirea acesteia. Disponibilitatea donatorilor pentru transplant cardiac este foarte scăzută, comparativ cu numărul de pacienţi care ar avea nevoie. Prin urmare, construirea unei inimi artificiale, funcţională pe termen lung după transplantarea într-un organism uman, reprezintă o prioritate, fiind o tehnologie care ar putea salva un număr extrem de mare de vieţi.
Pentru a construi un cord artificial, este necesară respectarea cu fidelitate a structurii cardiace, nu doar la nivel macroscopic, ci şi microscopic. Aranjamenul sub formă de spirală al cardiomiocitelor a fost observat pentru prima dată în 1669. Deşi în următoarele secole structura cordului a fost descrisă în detaliu, importanţa acestei alinieri nu a putut fi demonstrată pentru foarte mult timp. În 1969, a fost lansată ipoteza că aranjamentul helicoidal al celulelor cardiace este esenţial pentru a obţine o fracţie de ejecţie ridicată (procentul de sânge pompat de ventriculi în cursul fiecărei contracţii). Modelul construit în cadrul SEAS a permis testarea şi demonstrarea aceastei ipoteze.
Metoda FRJS permite fabricarea de “schele” de micro sau nanofibre cu aliniamente programabile în cadrul unei geometrii tridimensionale. Pe aceste modele 3D pot fi însămânţate cardiomiocite, care vor urma aliniamentul fibrelor pentru a alcătui ţesuturi. Inima construită prin această metodă este formată din multiple straturi de cardiomiocite aliniate helicoidal, sub unghiuri diferite, precum o inimă naturală. Printarea 3D ar necesita mai mult de 100 de ani doar pentru a realiza numai fibrele de colagen din matrixul extracelular al cordului, care au un diametru de un micron, ceea ce FRJS poate face într-o singură zi.
Folosind această tehnologie, autorii au reușit să fabrice inimi care au proprietăți structurale similare cu cele naturale, dar şi corduri în care au aliniat greşit în mod intenţionat orientarea fibrelor pentru a construi modele de inimi bolnave. Funcţia unui cord construit cu aliniament helicoidal a fost comparată cu cea a unei inimi cu fibrele dispuse circumferenţial. Performanţa a fost superioară la modelul helicoidal, pentru toţi parametrii evaluaţi (deformarea ventriculară, viteza semnalului electric, fracţia de ejecţie).
Modelele contruite au fost miniaturi ale inimii umane, însă metoda permite formarea unui cord cu dimensiuni similare celui natural, putând fi realizate inclusiv organe de dimensiuni mult mai mari, spre exemplu inima unei balene Minke. FRJS eficientizează fabricarea țesuturilor şi organelor, în special atunci când arhitectura acestora este esenţială pentru a asigura funcţia. Tehnologia este evaluată în continuare şi pentru alte aplicaţii.
Citeşte şi:
- Inima artificială din silicon care arată și funcționează exact ca o inimă reală, însă numai pentru 30 de minute
- Neurons-on-chip: Primii neuroni artificiali, identici ca proprietăți și funcții cu cei biologici, dezvoltați în scopul vindecării afecțiunilor cronice
- #ASH19. Microvasculature-on-chip: Vasele de sânge artificiale care permit studiul apariției, comportamentului și vindecării trombilor