Avans major în fabricarea unei inimi artificiale, potrivită pentru un om

Prin recrearea structurii elicoidale a mușchilor cardiaci, cercetătorii îmbunătățesc înțelegerea modului în care bate inima. Bioinginerii au dezvoltat primul model biohibrid de ventricule umane cu celule cardiace care bat aliniate elicoidal și au demonstrat că alinierea mușchilor crește, de fapt, în mod dramatic cantitatea de sânge pe care ventriculul o poate pompa la fiecare contracție.

Bolile cardiace – principala cauză de deces în SUA – sunt atât de mortale în parte pentru că inima, spre deosebire de alte organe, nu se poate repara singură după o leziune. Acesta este motivul pentru care ingineria tisulară, care include în cele din urmă fabricarea la scară largă a unei întregi inimi umane pentru transplant, este atât de importantă pentru viitorul medicinei cardiace.

Pentru a construi o inimă umană de la zero, cercetătorii trebuie să reproducă structurile unice care alcătuiesc inima. Acest lucru include recrearea geometriilor elicoidale, care creează o mișcare de răsucire în timp ce inima bate. S-a teoretizat de mult timp că această mișcare de răsucire este esențială pentru pomparea sângelui la volume mari, dar a fost dificil să se demonstreze acest lucru, în parte pentru că a fost dificil să se creeze inimi cu geometrii și alinieri diferite.

Primul model biohibrid de ventricule umane cu celule cardiace

Acum, bioinginerii de la Harvard John A. Paulson School of Engineering and Applied Sciences (SEAS) de la Harvard au dezvoltat primul model biohibrid de ventricule umane cu celule cardiace care bat aliniate elicoidal și au demonstrat că alinierea mușchilor crește, de fapt, în mod dramatic cantitatea de sânge pe care ventriculul o poate pompa la fiecare contracție.

Acest progres a fost posibil cu ajutorul unei noi metode de fabricare aditivă a textilelor, Focused Rotary Jet Spinning (FRJS), care a permis fabricarea cu randament ridicat a fibrelor aliniate elicoidal cu diametre cuprinse între câțiva micrometri și sute de nanometri. Dezvoltate la SEAS de către Grupul de biofizică a bolilor al lui Kit Parker, fibrele FRJS direcționează alinierea celulelor, permițând formarea de structuri controlate de inginerie tisulară. Cercetarea a fost publicată în revista Science.

„Această lucrare reprezintă un pas important pentru biofabricarea organelor și ne apropie de obiectivul nostru final de a construi o inimă umană pentru transplant”, a declarat Parker, profesor de bioinginerie și fizică aplicată la SEAS și autorul principal al lucrării, Tarr Family Professor of Bioengineering and Applied Physics la SEAS.

Inima artificială. Mister vechi, de secole

Această lucrare își are rădăcinile într-un mister vechi de secole. În 1669, medicul englez Richard Lower – un om care l-a numărat pe John Locke printre colegii săi și pe regele Carol al II-lea printre pacienții săi – a observat pentru prima dată dispunerea în spirală a mușchilor inimii în lucrarea sa fundamentală Tractatus de Corde.

În următoarele trei secole, medicii și oamenii de știință au ajuns la o înțelegere mai cuprinzătoare a structurii inimii, însă scopul acestor mușchi spiralate a rămas frustrant de greu de studiat.

În 1969, Edward Sallin, fostul președinte al Departamentului de biomatematică de la Facultatea de Medicină a Universității Alabama Birmingham, a susținut că alinierea elicoidală a inimii este esențială pentru obținerea unor fracții de ejecție mari – procentul de sânge pe care ventriculul îl pompează la fiecare contracție.

„Scopul nostru a fost să construim un model prin care să putem testa ipoteza lui Sallin și să studiem importanța relativă a structurii elicoidale a inimii”, a declarat John Zimmerman, bursier postdoctoral la SEAS și coautorul primului autor al lucrării. Pentru a testa teoria lui Sallin, cercetătorii de la SEAS au folosit sistemul FRJS pentru a controla alinierea fibrelor filate pe care puteau crește celule cardiace.

„Inima umană are, de fapt, mai multe straturi de mușchi aliniați elicoidal”

Prima etapă a FRJS funcționează ca o mașină de vată de zahăr – o soluție de polimer lichidă este încărcată într-un rezervor și împinsă printr-o deschidere minusculă prin forța centrifugă, în timp ce dispozitivul se rotește. Pe măsură ce soluția părăsește rezervorul, solventul se evaporă, iar polimerii se solidifică pentru a forma fibre. Apoi, un curent de aer concentrat controlează orientarea fibrelor pe măsură ce acestea sunt depuse pe un colector. Echipa a descoperit că, prin înclinarea și rotirea colectorului, fibrele din curent se aliniază și se răsucesc în jurul colectorului pe măsură ce acesta se rotește, imitând structura elicoidală a mușchilor inimii.
Alinierea fibrelor poate fi reglată prin modificarea unghiului colectorului.

„Inima umană are, de fapt, mai multe straturi de mușchi aliniați elicoidal, cu diferite unghiuri de aliniere”, a declarat Huibin Chang, cercetător postdoctoral la SEAS și co-autorul primului autor al lucrării. „Cu FRJS, putem recrea aceste structuri complexe într-un mod foarte precis, formând structuri ventriculare cu o singură cameră și chiar cu patru camere”.

Avans major în fabricarea unei inimi artificiale, potrivită pentru un om

Spre deosebire de tipărirea 3D, care devine mai lentă pe măsură ce caracteristicile devin mai mici, FRJS poate roti rapid fibre la scara unui singur micron – sau de aproximativ cincizeci de ori mai mici decât un singur fir de păr uman. Acest lucru este important atunci când vine vorba de construirea unei inimi de la zero. Să luăm de exemplu colagenul, o proteină a matricei extracelulare din inimă, care are, de asemenea, un diametru de un singur micron. Ar fi nevoie de mai mult de 100 de ani pentru a imprima 3D fiecare bucățică de colagen din inima umană la această rezoluție. FRJS poate face acest lucru într-o singură zi.

După centrifugare, ventriculii au fost însămânțați cu cardiomiocite de șobolan sau cu celule cardiomiocite derivate din celule stem umane. În decurs de aproximativ o săptămână, mai multe straturi subțiri de țesut care bătea au acoperit schela, celulele urmând alinierea fibrelor de dedesubt. Ventriculii care băteau imitau aceeași mișcare de răsucire sau de stoarcere prezentă în inimile umane.

Inima artificială. Procesul poate fi extins

Cercetătorii au comparat deformarea ventriculului, viteza de semnalizare electrică și fracția de ejecție între ventriculele realizate din fibre aliniate elicoidal și cele realizate din fibre aliniate circumferențial. Ei au constatat că, la toate capitolele, țesutul aliniat elicoidal a fost mai performant decât cel aliniat circumferențial.

„Din 2003, grupul nostru a lucrat pentru a înțelege relațiile structură-funcție ale inimii și modul în care boala compromite în mod patologic aceste relații”, a declarat Parker. „În acest caz, ne-am întors pentru a aborda o observație niciodată testată cu privire la structura elicoidală a arhitecturii lamelare a inimii. Din fericire, profesorul Sallin a publicat o predicție teoretică în urmă cu mai bine de o jumătate de secol și am reușit să construim o nouă platformă de fabricație care ne-a permis să testăm ipoteza sa și să abordăm această întrebare veche de secole”.
Echipa a demonstrat, de asemenea, că procesul poate fi extins până la dimensiunea unei inimi umane reale și chiar mai mare, până la dimensiunea unei inimi de balenă Minke (nu au însămânțat modelele mai mari cu celule, deoarece ar fi nevoie de miliarde de celule cardiomiocite).

În afară de biofabricare, echipa explorează și alte aplicații pentru platforma lor FRJS, cum ar fi ambalarea alimentelor.