Corazón de ingeniería inversa: los investigadores crean un ventrículo izquierdo bioartificial

Investigadores de la Facultad de Ciencias Aplicadas e Ingeniería de la Universidad de Toronto han desarrollado un modelo a pequeña escala de un ventrículo cardíaco izquierdo humano en el laboratorio. La construcción de tejido bioartificial está hecha con células vivas del corazón y late lo suficientemente fuerte como para bombear fluido dentro de un biorreactor.

En el corazón humano, el ventrículo izquierdo es el que bombea sangre recién oxigenada a la aorta, y de ahí al resto del cuerpo. El nuevo modelo desarrollado en laboratorio podría ofrecer a los investigadores una nueva forma de estudiar una amplia gama de enfermedades y afecciones cardíacas, así como probar posibles terapias.

«Con nuestro modelo, podemos medir el volumen de eyección (cuánto líquido se expulsa cada vez que se contrae el ventrículo), así como la presión de ese líquido», dice Sargol Okhovatian, Ph.D. candidato en el Instituto de Ingeniería Biomédica. «Ambos eran casi imposibles de conseguir con los modelos anteriores».

Okhovatian y Mohammad Hossein Mohammadi, quienes se graduaron de la U of T con una maestría en ingeniería química y biomédica, son coautores principales de un nuevo artículo en biología avanzada que describe el modelo que diseñaron. Su equipo multidisciplinario estuvo dirigido por Milica Radisic, profesora en el departamento de ingeniería química y química aplicada y autora principal del artículo.

Los tres investigadores son miembros del Centro de Investigación y Aplicaciones en Tecnologías de Fluidos (CRAFT). Una asociación única entre el Consejo Nacional de Investigación de Canadá y la U of T, CRAFT es el hogar de expertos líderes en el mundo que diseñan, construyen y prueban dispositivos miniaturizados para controlar el flujo de fluidos a escala micrométrica, un campo conocido como microfluidos.

«Las instalaciones únicas que tenemos en CRAFT nos permiten crear modelos sofisticados de órganos en un chip como este», dice Radisic.

«Con estos modelos, podemos estudiar no solo la función celular, sino también la función de los tejidos y la función de los órganos, todo sin necesidad de cirugía invasiva o experimentación con animales. También podemos usarlos para examinar grandes bibliotecas de moléculas candidatas a fármacos en busca de efectos positivos o negativos. »

Muchos de los desafíos que enfrentan los ingenieros de tejidos se relacionan con la geometría: si bien es fácil cultivar células humanas en dos dimensiones, por ejemplo, en una placa de Petri plana, los resultados no se parecen mucho a los tejidos u órganos reales como lo harían en el ser humano. cuerpo.

Para pasar a las tres dimensiones, Radisic y su equipo usan andamios diminutos hechos de polímeros biocompatibles. Los andamios, que a menudo están modelados con ranuras o estructuras similares a mallas, se siembran con células del músculo cardíaco y se dejan crecer en un medio líquido.

Con el tiempo, las células vivas crecen juntas, formando un tejido. La forma o patrón subyacente del andamio alienta a las células en crecimiento a alinearse o estirarse en una dirección particular. Los pulsos eléctricos pueden incluso usarse para controlar qué tan rápido laten, una especie de gimnasio de entrenamiento para el tejido cardíaco.

Para el ventrículo izquierdo bioartificial, Okhovatian y Mohammadi crearon un andamio con forma de hoja plana de tres paneles similares a una malla. Después de sembrar el andamio con células y dejarlas crecer durante aproximadamente una semana, los investigadores enrollaron la lámina alrededor de un eje de polímero hueco, al que llaman mandril.

El resultado: un tubo compuesto por tres capas superpuestas de células cardíacas que laten al unísono, bombeando líquido por el orificio al final. El diámetro interior del tubo es de 0,5 milímetros y su altura es de aproximadamente 1 milímetro, lo que lo convierte en el tamaño del ventrículo de un feto humano en la semana 19 de gestación.

«Hasta ahora, solo ha habido un puñado de intentos de crear un modelo verdaderamente 3D de un ventrículo, en lugar de láminas planas de tejido cardíaco», dice Radisic.

«Prácticamente todos se han hecho con una sola capa de células. Pero un corazón real tiene muchas capas, y las células en cada capa están orientadas en diferentes ángulos. Cuando el corazón late, estas capas no solo se contraen, sino que también se retuercen, un poco como cuando retuerces una toalla para escurrir el agua. Esto permite que el corazón bombee más sangre de lo que lo haría de otra manera».

El equipo pudo replicar esta disposición retorcida modelando cada uno de sus tres paneles con ranuras en diferentes ángulos entre sí.

En colaboración con el laboratorio dirigido por Ren-Ke Li, profesor de la Facultad de Medicina de Temerty y científico principal del Instituto de Investigación General de Toronto en la Red de Salud de la Universidad, midieron el volumen de eyección y la presión utilizando un catéter de conductancia, la misma herramienta. para evaluar estos parámetros en pacientes vivos.

Por el momento, el modelo solo puede producir una pequeña fracción, menos del cinco por ciento, de la presión de eyección que podría producir un corazón real, pero Okhovatian dice que esto es de esperar dada la escala del modelo.

«Nuestro modelo tiene tres capas, pero un corazón real tendría once», dice ella.

«Podemos agregar más capas, pero eso dificulta la difusión del oxígeno, por lo que las células en las capas intermedias comienzan a morir. Los corazones reales tienen vasculatura, o vasos sanguíneos, para resolver este problema, por lo que necesitamos encontrar una manera para replicar eso».

Okhovatian dice que además del problema de la vasculatura, el trabajo futuro se centrará en aumentar la densidad de las células para aumentar el volumen y la presión de eyección. Ella también quiere encontrar una manera de encoger o eventualmente quitar el andamio, que un corazón real no tendría.

Aunque el modelo de prueba de concepto representa un progreso significativo, todavía queda un largo camino por recorrer antes de que los órganos artificiales completamente funcionales sean posibles.

«Tenemos que recordar que nos tomó millones de años desarrollar una estructura tan compleja como el corazón humano», dice Radisic.

«No vamos a poder aplicar ingeniería inversa a todo en tan solo unos años, pero con cada mejora incremental, estos modelos se vuelven más útiles para los investigadores y médicos de todo el mundo».

«El sueño de todo ingeniero de tejidos es desarrollar órganos que estén completamente listos para ser trasplantados al cuerpo humano», dice Okhovatian.

«Todavía estamos a muchos años de eso, pero siento que este ventrículo bioartificial es un trampolín importante».