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Un passo avanti importante per la biofabbricazione di organi. Ricreando la struttura elicoidale dei muscoli cardiaci, i ricercatori migliorano anche la comprensione di come batte il cuore.
Le malattie cardiache sono così mortali in parte perché il cuore, a differenza di altri organi, non può ripararsi dopo un danno. Ecco perché l’ingegneria tissutale, compresa in ultima analisi la fabbricazione all’ingrosso di un intero cuore umano per il trapianto, è così importante per il futuro della medicina cardiaca.
Per costruire un cuore umano da zero, i ricercatori devono replicare le strutture uniche che compongono il cuore. Ciò include la ricreazione di geometrie elicoidali, che creano un movimento di torsione mentre il cuore batte.
È stato a lungo teorizzato che questo movimento di torsione è fondamentale per pompare sangue ad alti volumi, ma dimostrarlo è stato difficile, in parte perché creare cuori con geometrie e allineamenti diversi è stato impegnativo.
Ora, i bioingegneri della Harvard John A. Paulson School of Engineering and Applied Sciences (SEAS) hanno sviluppato il primo modello bioibrido di ventricoli umani con cellule cardiache che battono allineate elicoidamente e hanno dimostrato che l’allineamento muscolare, infatti, aumenta drasticamente la quantità di sangue che il ventricolo può pompare ad ogni contrazione.
Questo progresso è stato reso possibile utilizzando un nuovo metodo di produzione tessile additiva, chiamato focused Rotary Jet Spinning (FRJS), che ha permesso la fabbricazione ad alta produttività di fibre allineate elicoidamente con diametri che vanno da diversi micrometri a centinaia di nanometri.
Sviluppato presso SEAS dal Disease Biophysics Group di Kit Parker, FRJS fibre di allineamento cellulare diretto, consentendo la formazione di strutture controllate ingegnerizzate tissutali. La ricerca è pubblicata su Science.
”Questo lavoro è un importante passo avanti per la biofabbricazione degli organi e ci avvicina al nostro obiettivo finale di costruire un cuore umano per il trapianto”, ha detto Parker, professore di bioingegneria e fisica applicata della famiglia Tarr presso SEAS e autore senior dell’articolo.
Quest’opera affonda le sue radici in un mistero secolare. Nel 1669, il medico inglese Richard Lower – un uomo che contava John Locke tra i suoi colleghi e il re Carlo II tra i suoi pazienti – notò per la prima volta la disposizione a spirale dei muscoli cardiaci nel suo lavoro seminale Tractatus de Corde.
Nel corso dei successivi tre secoli, medici e scienziati hanno costruito una comprensione più completa della struttura del cuore, ma lo scopo di quei muscoli a spirale è rimasto frustrantemente difficile da studiare.
Nel 1969, Edward Sallin, ex presidente del Dipartimento di Biomatematica presso la University of Alabama Birmingham Medical School, sostenne che l’allineamento elicoidale del cuore è fondamentale per ottenere grandi frazioni di eiezione – la percentuale di quanto sangue il ventricolo pompa con ogni contrazione.
”Il nostro obiettivo era quello di costruire un modello in cui potessimo testare l’ipotesi di Sallin e studiare l’importanza relativa della struttura elicoidale del cuore”, ha detto John Zimmerman, un borsista post-dottorato presso SEAS e co-primo autore dell’articolo.
Per testare la teoria di Sallin, i ricercatori del SEAS hanno utilizzato il sistema FRJS per controllare l’allineamento delle fibre filate su cui potevano far crescere le cellule cardiache.
FRJS funziona come una macchina per zucchero filato: una soluzione polimerica liquida viene caricata in un serbatoio e spinta fuori attraverso una piccola apertura dalla forza centrifuga mentre il dispositivo gira. Quando la soluzione lascia il serbatoio, il solvente evapora e i polimeri si solidificano per formare fibre.
Quindi, un flusso d’aria focalizzato controlla l’orientamento della fibra mentre vengono depositati su un collettore. Il team ha scoperto che ruotando il collettore, le fibre nel flusso si allineavano e si torcevano attorno al collettore mentre filava, imitando la struttura elicoidale dei muscoli cardiaci.
L’allineamento delle fibre può essere regolato modificando l’angolo del collettore.
”Il cuore umano ha in realtà più strati di muscoli allineati elicoidamente con diversi angoli di allineamento”, ha detto Huibin Chang, un borsista post-dottorato presso SEAS e co-primo autore dell’articolo. “Con FRJS, possiamo ricreare quelle strutture complesse in un modo davvero preciso, formando strutture ventricolari singole e persino a quattro camere”.
A differenza della stampa 3D, che diventa più lenta man mano che le funzionalità diventano più piccole, FRJS può ruotare rapidamente le fibre su scala di un singolo micron, circa un cinquantesimo del diametro di un capello umano.
Questo è importante quando si tratta di costruire un cuore da zero. Prendiamo ad esempio il collagene, una proteina della matrice extracellulare nel cuore, che ha anche un singolo micron di diametro. Ci vorrebbero più di 100 anni per stampare in 3D ogni bit di collagene nel cuore umano a questa risoluzione. FRJS può farlo in un solo giorno.
Dopo la rotazione, i ventricoli sono stati seminati con cardiomiociti di ratto o cellule cardiomiocitarie derivate da cellule staminali umane. Nel giro di circa una settimana, diversi strati sottili di tessuto battente coprivano l’impalcatura, con le cellule che seguivano l’allineamento delle fibre sottostanti.
I ventricoli pulsanti imitavano lo stesso movimento di torsione o strizzatura presente nei cuori umani.
I ricercatori hanno confrontato la deformazione del ventricolo, la velocità di segnalazione elettrica e la frazione di eiezione tra i ventricoli costituiti da fibre allineate elicoidali e quelli realizzati con fibre allineate circonferenzialmente. Hanno scoperto che su ogni fronte, il tessuto allineato elicoidamente superava il tessuto allineato circonferenzialmente.
”Dal 2003, il nostro gruppo ha lavorato per comprendere le relazioni struttura-funzione del cuore e come la malattia compromette patologicamente queste relazioni”, ha detto Parker. “In questo caso, siamo tornati ad affrontare un’osservazione mai testata sulla struttura elicoidale dell’architettura laminare del cuore. Fortunatamente, il professor Sallin ha pubblicato una previsione teorica più di mezzo secolo fa e siamo stati in grado di costruire una nuova piattaforma di produzione che ci ha permesso di testare la sua ipotesi e affrontare questa domanda secolare”.
Il team ha anche dimostrato che il processo può essere scalato fino alle dimensioni di un vero cuore umano e ancora più grande, alle dimensioni di un cuore di balena.
Crediti: Disease Biophysics Group/Harvard SEAS
