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Grande passo em frente na fabricação de um coração artificial, adequado para um humano

Grande passo em frente na fabricação de um coração artificial, adequado para um humano

Ao recriar a estrutura helicoidal dos músculos do coração, os pesquisadores melhoram a compreensão de como o coração bate

Os bioengenheiros desenvolveram o primeiro modelo biohíbrido de ventrículos humanos com células cardíacas pulsantes alinhadas helicoidalmente e mostraram que o alinhamento muscular, de fato, aumenta drasticamente a quantidade de sangue que o ventrículo pode bombear a cada contração.

A doença cardíaca - a principal causa de morte nos EUA - é tão mortal em parte porque o coração, ao contrário de outros órgãos, não pode se reparar após uma lesão. É por isso que a engenharia de tecidos, incluindo a fabricação por atacado de um coração humano inteiro para transplante, é tão importante para o futuro da medicina cardíaca.

Para construir um coração humano do zero, os pesquisadores precisam replicar as estruturas únicas que compõem o coração. Isso inclui a recriação de geometrias helicoidais, que criam um movimento de torção à medida que o coração bate. Há muito tempo se teoriza que esse movimento de torção é fundamental para bombear sangue em grandes volumes, mas provar isso tem sido difícil, em parte porque criar corações com diferentes geometrias e alinhamentos tem sido um desafio.

Agora, bioengenheiros da Harvard John A. Paulson School of Engineering and Applied Sciences (SEAS) desenvolveram o primeiro modelo biohíbrido de ventrículos humanos com células cardíacas em batimento helicoidal e mostraram que o alinhamento muscular, de fato, aumenta drasticamente a quantidade de sangue que o ventrículo pode bombear a cada contração.

Esse avanço foi possível usando um novo método de manufatura aditiva têxtil, Focused Rotary Jet Spinning (FRJS), que possibilitou a fabricação de alto rendimento de fibras alinhadas helicoidalmente com diâmetros que variam de vários micrômetros a centenas de nanômetros. Desenvolvidas no SEAS pelo Kit Parker's Disease Biophysics Group, as fibras FRJS direcionam o alinhamento celular, permitindo a formação de estruturas controladas por engenharia de tecidos.

A pesquisa é publicada na revista Science.

“Este trabalho é um grande passo para a biofabricação de órgãos e nos aproxima de nosso objetivo final de construir um coração humano para transplante”, disse Parker, professor de bioengenharia e física aplicada da família Tarr no SEAS e autor sênior do artigo.

Este trabalho tem suas raízes em um mistério de séculos. Em 1669, o médico inglês Richard Lower - um homem que contava John Locke entre seus colegas e o rei Carlos II entre seus pacientes - notou pela primeira vez o arranjo em espiral dos músculos do coração em seu trabalho seminal Tractatus de Corde.

Nos três séculos seguintes, médicos e cientistas construíram uma compreensão mais abrangente da estrutura do coração, mas o propósito desses músculos em espiral permaneceu frustrantemente difícil de estudar.

Em 1969, Edward Sallin, ex-presidente do Departamento de Biomatemática da Escola de Medicina de Birmingham da Universidade do Alabama, argumentou que o alinhamento helicoidal do coração é fundamental para alcançar grandes frações de ejeção – a porcentagem de quanto sangue o ventrículo bombeia com cada contração.

"Nosso objetivo era construir um modelo onde pudéssemos testar a hipótese de Sallin e estudar a importância relativa da estrutura helicoidal do coração", disse John Zimmerman, pós-doutorando da SEAS e co-primeiro autor do artigo.

Para testar a teoria de Sallin, os pesquisadores do SEAS usaram o sistema FRJS para controlar o alinhamento das fibras fiadas nas quais eles poderiam cultivar células cardíacas.

A primeira etapa do FRJS funciona como uma máquina de algodão doce - uma solução de polímero líquido é carregada em um reservatório e empurrada para fora através de uma pequena abertura por força centrífuga enquanto o dispositivo gira. À medida que a solução deixa o reservatório, o solvente evapora e os polímeros se solidificam para formar fibras. Em seguida, uma corrente de ar focada controla a orientação da fibra à medida que ela é depositada em um coletor. A equipe descobriu que, ao inclinar e girar o coletor, as fibras no fluxo se alinham e torcem em torno do coletor enquanto ele gira, imitando a estrutura helicoidal dos músculos cardíacos.

O alinhamento das fibras pode ser ajustado alterando o ângulo do coletor.

“O coração humano realmente tem várias camadas de músculos alinhados helicoidalmente com diferentes ângulos de alinhamento”, disse Huibin Chang, pós-doutorando do SEAS e co-autor do artigo. "Com o FRJS, podemos recriar essas estruturas complexas de maneira realmente precisa, formando estruturas de ventrículo único e até de quatro câmaras".

Ao contrário da impressão 3D, que fica mais lenta à medida que os recursos ficam menores, o FRJS pode girar fibras rapidamente na escala de um único mícron – ou cerca de cinquenta vezes menor que um único fio de cabelo humano. Isso é importante quando se trata de construir um coração do zero. Pegue o colágeno, por exemplo, uma proteína da matriz extracelular no coração, que também tem um único mícron de diâmetro. Levaria mais de 100 anos para imprimir em 3D cada pedaço de colágeno no coração humano nesta resolução. FRJS pode fazê-lo em um único dia.

Após a rotação, os ventrículos foram semeados com cardiomiócitos de rato ou células de cardiomiócitos derivadas de células estaminais humanas. Dentro de cerca de uma semana, várias camadas finas de tecido pulsante cobriram o andaime, com as células seguindo o alinhamento das fibras abaixo.

Os ventrículos batendo imitavam o mesmo movimento de torção ou torção presente nos corações humanos.

Os pesquisadores compararam a deformação do ventrículo, a velocidade da sinalização elétrica e a fração de ejeção entre os ventrículos feitos de fibras alinhadas helicoidal e aqueles feitos de fibras alinhadas circunferencialmente. Eles encontraram em todas as frentes, o tecido alinhado helicoidalmente superou o tecido alinhado circunferencialmente.

"Desde 2003, nosso grupo tem trabalhado para entender as relações estrutura-função do coração e como a doença compromete patologicamente essas relações", disse Parker. "Neste caso, voltamos a abordar uma observação nunca testada sobre a estrutura helicoidal da arquitetura laminar do coração. Felizmente, o professor Sallin publicou uma previsão teórica há mais de meio século e conseguimos construir uma nova plataforma de fabricação que nos permitiu testar sua hipótese e abordar essa questão secular."

A equipe também demonstrou que o processo pode ser ampliado para o tamanho de um coração humano real e ainda maior, para o tamanho de um coração de baleia Minke (eles não semear os modelos maiores com células, pois seriam necessários bilhões de células cardiomiócitos ).

Além da biofabricação, a equipe também explora outras aplicações para sua plataforma FRJS, como embalagens de alimentos.

O Escritório de Desenvolvimento de Tecnologia de Harvard protegeu a propriedade intelectual relacionada a este projeto e está explorando oportunidades de comercialização.

Foi apoiado em parte pelo Harvard Materials Research Science and Engineering Center (DMR-1420570, DMR-2011754), o National Institutes of Health com o Center for Nanoscale Systems (S10OD023519) e o National Center for Advancing Translational Sciences (UH3TR000522, 1- UG3-HL-141798-01).

Fonte da história:

Materiais fornecidos pela Escola de Engenharia e Ciências Aplicadas de Harvard John A. Paulson . Original escrito por Leah Burrows. Nota: O conteúdo pode ser editado para estilo e duração.

Multimídia Relacionada :

  • Vídeo do YouTube: Este ventrículo artificial é um grande passo em frente para a biofabricação de órgãos

Referência do jornal :

  1. Huibin Chang, Qihan Liu, John F. Zimmerman, Keel Yong Lee, Qianru Jin, Michael M. Peters, Michael Rosnach, Suji Choi, Sean L. Kim, Herdeline Ann M. Ardoña, Luke A. MacQueen, Christophe O. Chantre, Sarah E. Motta, Elizabeth M. Cordoves, Kevin Kit Parker. Recriando a relação estrutura-função helicoidal do coração com giro a jato rotativo focado . Ciência , 2022; 377 (6602): 180 DOI: 10.1126/science.abl6395

Citar esta página :

Escola de Engenharia e Ciências Aplicadas de Harvard John A. Paulson. "Grande passo em frente na fabricação de um coração artificial, adequado para um humano: ao recriar a estrutura helicoidal dos músculos do coração, os pesquisadores melhoram a compreensão de como o coração bate". ScienceDaily. ScienceDaily, 8 de julho de 2022. .

Escola de Engenharia e Ciências Aplicadas de Harvard John A. Paulson

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