Avance en biofabricación de órganos podría allanar el camino para corazones artificiales creados con bioingeniería

La enfermedad cardíaca es tan mortal en parte porque el corazón, a diferencia de otros órganos, no puede repararse después de una lesión. Es por eso que la ingeniería de tejidos, que en última instancia incluye la fabricación completa de un corazón humano entero para trasplante, es tan importante para el futuro de la medicina cardíaca. Para construir un corazón humano desde cero, los investigadores necesitan replicar las estructuras únicas que componen el corazón. Esto incluye la recreación de geometrías helicoidales, que crean un movimiento de torsión a medida que late el corazón. Durante mucho tiempo se ha teorizado que este movimiento de torsión es fundamental para bombear sangre a grandes volúmenes, pero demostrarlo ha sido difícil, en parte porque la creación de corazones con diferentes geometrías y alineaciones ha sido un desafío. Ahora, un equipo de bioingenieros ha desarrollado el primer modelo biohíbrido de ventrículos humanos con células cardíacas latiendo alineadas helicoidalmente, y ha demostrado que la alineación muscular, de hecho, aumenta drásticamente la cantidad de sangre que el ventrículo puede bombear con cada contracción.

Este avance fue posible gracias a un nuevo método de fabricación textil aditiva, Focused Rotary Jet Spinning (Giro de chorro rotatorio enfocado)(FRJS), que permitió la fabricación de alto rendimiento de fibras alineadas helicoidalmente con diámetros que van desde varios micrómetros hasta cientos de nanómetros. Desarrolladas en la Escuela de Ingeniería y Ciencias Aplicadas John A. Paulson de Harvard (SEAS, Cambridge, MA, EUA), las fibras FRJS dirigen la alineación celular, lo que permite la formación de estructuras de ingeniería tisular controladas.

A lo largo de los siglos, los médicos y científicos han construido una comprensión más completa de la estructura del corazón, pero el propósito de la disposición en espiral de los músculos del corazón sigue siendo frustrantemente difícil de estudiar. En 1969, Edward Sallin argumentó que la alineación helicoidal del corazón es fundamental para lograr grandes fracciones de eyección: el porcentaje de la cantidad de sangre que bombea el ventrículo con cada contracción. Para probar la teoría de Sallin, los investigadores de SEAS utilizaron el sistema FRJS para controlar la alineación de las fibras hiladas en las que podrían crecer células cardíacas.

El primer paso de FRJS funciona como una máquina de algodón de azúcar: una solución de polímero líquido se carga en un depósito y se empuja a través de una pequeña abertura por la fuerza centrífuga a medida que gira el dispositivo. A medida que la solución sale del depósito, el solvente se evapora y los polímeros se solidifican para formar fibras. Luego, una corriente de aire enfocada controla la orientación de la fibra a medida que se deposita en un recolector. El equipo descubrió que al inclinar y rotar el recolector, las fibras en la corriente se alinearían y retorcerían alrededor del recolector mientras giraba, imitando la estructura helicoidal de los músculos del corazón. La alineación de las fibras se puede ajustar cambiando el ángulo del recolector.

A diferencia de la impresión 3D, que se vuelve más lenta a medida que las características se hacen más pequeñas, FRJS puede girar rápidamente fibras en la escala de una sola micra, o unas 50 veces más pequeñas que un solo cabello humano. Esto es importante cuando se trata de construir un corazón desde cero. Tomemos como ejemplo el colágeno, una proteína de matriz extracelular en el corazón, que también tiene un diámetro de una sola micra. Se necesitarían más de 100 años para imprimir en 3D cada pedacito de colágeno en el corazón humano con esta resolución. FRJS puede hacerlo en un solo día. Después del centrifugado, los ventrículos se sembraron con cardiomiocitos de rata o células de cardiomiocitos derivadas de células madre humanas. En aproximadamente una semana, varias capas delgadas de tejido latiente cubrieron el andamio, con las células siguiendo la alineación de las fibras debajo. Los ventrículos latiendo imitaban el mismo movimiento de torsión o retorcimiento presente en los corazones humanos.

Los investigadores compararon la deformación del ventrículo, la velocidad de la señalización eléctrica y la fracción de eyección entre ventrículos hechos de fibras alineadas helicoidalmente y aquellos hechos de fibras alineadas circunferencialmente. Descubrieron que, en todos los frentes, el tejido alineado helicoidalmente superaba al tejido alineado circunferencialmente. El equipo también demostró que el proceso se puede ampliar hasta el tamaño de un corazón humano real e incluso más grande, hasta el tamaño de un corazón de ballena minke (no sembraron los modelos más grandes con células, ya que se necesitarían miles de millones de células de cardiomiocitos ).

“El corazón humano en realidad tiene múltiples capas de músculos alineados helicoidalmente con diferentes ángulos de alineación”, dijo Huibin Chang, becario postdoctoral en SEAS. "Con FRJS, podemos recrear esas estructuras complejas de una manera realmente precisa, formando estructuras de ventrículo de una o incluso cuatro cámaras".

“Este trabajo es un gran paso adelante para la biofabricación de órganos y nos acerca a nuestro objetivo final de construir un corazón humano para trasplante”, dijo Kit Parker, profesor de bioingeniería y física aplicada en Tarr Family en SEAS.

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