Bio ingenieros producen ventrículo artificial para el corazón

Científicos de la universidad de Harvard han obrado una bioingeniería de un modelo tridimensional de un ventrículo izquierdo de corazón humano que podría usarse para estudiar enfermedades, probar medicamentos y desarrollar tratamientos específicos para el paciente para enfermedades cardíacas como la arritmia.

El tejido está diseñado con un andamio de nanofibras sembrado con células del corazón humano, actúa como una plantilla 3D, guiando las células y su ensamblaje en las cámaras del ventrículo que laten in vitro, esto les permite a los investigadores estudiar la función cardíaca usando muchas de las mismas herramientas utilizadas en la clínica, incluyendo bucles de presión-volumen y ultrasonido.

Kit Parker, profesor de bioingeniería y física aplicada de la familia Tarr en la escuela de ingeniería y ciencias aplicadas John A. Paulson de Harvard, SEAS y autor principal del estudio, explicó, «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», y ha afirmado que «las aplicaciones, desde la medicina cardiovascular regenerativa hasta su uso como modelo in vitro para el descubrimiento de fármacos, son amplias y variadas».

Con la cooperación de varios laboratorios de ciencia aplicada, lograron el prodigio

Parker es también miembro de base de la facultad del instituto Wyss para Ingeniería biológica inspirada en Harvard, el Instituto de células madre de Harvard o HSCI 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 HSCI, «el objetivo a largo plazo de este proyecto es reemplazar o complementar modelos animales con modelos humanos y especialmente modelos humanos específicos para el 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 las enfermedades reales de los pacientes», dijo William Pu, profesor de pediatría en la facultad de medicina de Harvard y miembro de la facultad principal de HSCI y coautor del artículo, «esos modelos comparten no solo las mutaciones del paciente, sino todos los antecedentes genéticos del paciente».

La clave para construir un ventrículo funcional es recrear la estructura única del tejido, en corazones nativos, las fibras miocárdicas paralelas actúan como un andamio, guiando las células del corazón en forma de ladrillo para alinearlas y ensamblarlas de extremo a extremo, formando una estructura hueca en forma de cono. 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 pull-spinning, que utiliza una cerda giratoria de alta velocidad que se sumerge en un depósito de polímero o proteína y extrae una gota de la solución y desplaza la fibra en una trayectoria espiral que la solidifica antes de separarse de las cerdas y moverse hacia un colector, los resultados de la formación de fibra a partir del alargamiento del chorro y la evaporación del disolvente, para que finalmente las fibras se recojan en un colector de armazón de ventrículo elipsoidal rotatorio, desarrollada en Parker’s Disease Biophysics Group.

Para hacer el ventrículo, los investigadores utilizaron una combinación de poliéster biodegradable y fibras de gelatina que se recogieron en un colector rotatorio con forma de bala, como el colector está girando, todas las fibras se alinean en la misma dirección, «Es importante recapitular la estructura del músculo natural para obtener ventrículos que funcionen como sus contrapartes naturales», dijo MacQueen, porque «cuando las fibras están alineadas, las células estarán alineadas, lo que significa que realizarán y contraerán la forma en que lo hacen las células nativas».

Después de construir el andamio, los investigadores cultivaron el ventrículo con miocitos de rata o cardiomiocitos humanos a partir de células madre inducidas, en un período de tres a cinco días, una fina pared de tejido cubría el andamio y las células latían sincronizadas, a partir de ahí, los investigadores podrían controlar y controlar la propagación del calcio e insertar un catéter para estudiar la presión y el volumen del ventrículo latiente.

Los investigadores expusieron el tejido al isoproterenol, un fármaco similar a la adrenalina, y se midió a medida que aumentaba la frecuencia de latido tal como lo haría en los corazones humanos. Los analistas también hicieron agujeros en el ventrículo para imitar un infarto de miocardio y estudiaron el efecto del ataque que resultó al corazón en una placa de Petri.

Para estudiar mejor el ventrículo durante largos períodos de tiempo, los investigadores construyeron un biorreactor autónomo con cámaras separadas para inserciones de válvula opcionales, puertos de acceso adicionales para catéteres y capacidades opcionales de asistencia ventricular.

Mediante el uso de cardiomiocitos humanos a partir de células madre inducidas, los inventores 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 realmente una buena noticia para estudiar la progresión de las enfermedades en los pacientes, así como las terapias farmacológicas que tardan un tiempo en actuar», dijo MacQueen.

El grupo de científicos pretenden usar células madre preferenciales derivadas de pacientes para sembrar los ventrículos, lo que permitiría una mayor producción de tejido de alto rendimiento, «comenzamos por aprender a construir miocitos cardíacos, luego tejidos cardíacos, luego bombas musculares en forma de organismos marinos que se mimetizan, y ahora un ventrículo», dijo Parker, «en el camino, hemos dilucidado algunas de las leyes fundamentales de diseño de bombas musculares y hemos desarrollado ideas sobre cómo arreglar el corazón cuando estas leyes se rompen por la enfermedad, por ahora tenemos un largo camino por recorrer para construir un corazón de cuatro cámaras, pero nuestro progreso se está acelerando».