I RICERCATORI DELL’UNIVERSITÀ DEL MINNESOTA UTILIZZANO LA BIOPRINTING 3D PER CREARE IL BATTITO DEL CUORE UMANO
I ricercatori dell’Università del Minnesota hanno sviluppato un nuovo bio-inchiostro, che consente loro di creare un cuore umano battente stampato in 3D funzionale.
Il biomateriale carico di cellule, prodotto utilizzando cellule staminali pluripotenti, ha permesso al team di ricerca di stampare in 3D una replica aortica con più camere, ventricoli e uno spessore della parete cellulare più elevato di quanto fosse possibile in precedenza. In futuro, gli organi replicati utilizzando questo processo potrebbero fornire un banco di prova per una varietà di farmaci e dispositivi, nonché un modello per le malattie genetiche.
“Questo approccio potrebbe essere applicato a molti altri tipi di cellule con scarsa capacità proliferativa e migratoria a seguito della differenziazione”, ha affermato il gruppo di ricerca. “La pompa umana vivente mostrata qui e le future iterazioni di progettazione, troveranno utilità per saggi cardiologici multiscala in vitro, modellizzazione di lesioni e malattie, test di dispositivi medici e ricerca in medicina rigenerativa che dovrebbero essere trasferiti più facilmente a risultati clinicamente rilevanti.”
I primi sforzi per replicare i tessuti cardiaci consistevano in strutture geometricamente semplici, realizzate mediante fusione di cardiomiociti in un gel a base di ECM. Mentre questi tessuti potrebbero essere attaccati ai pali, consentendo loro di contrarsi e modulare il carico meccanico, la loro mancanza di complessità ha portato a un uso limitato nelle applicazioni in vitro. Inoltre, tali tessuti potrebbero generare forza, ma non erano in grado di pompare fluido, il che limitava ulteriormente la loro capacità di imitare le strutture vascolari.
Tentando di affrontare questo problema, i ricercatori hanno recentemente sviluppato modelli di tessuti in grado di replicare la dinamica pressione-volume del cuore. Tuttavia, si tratta spesso di soluzioni a ventricolo singolo, che non sono in grado di perfusione, un tratto critico dei vasi sanguigni e degli organi genuini. Inoltre, per consentire la fusione di un gel ECM o la semina di cardiomiociti dopo la fabbricazione, molti modelli di ventricolo singolo esistenti si basano su un semplice design simile a una coppa. “Questi metodi sono adatti per una struttura aperta, a camera singola che è più ampia nella parte superiore rispetto alla base; tuttavia, per generare un modello allegato e perfusabile, sono necessarie tecnologie di fabbricazione più avanzate “, hanno affermato i ricercatori.
Inoltre, un numero crescente di studi ha dimostrato la capacità di stampare interi modelli di organi cardiaci utilizzando materiali biologici, ma a questi costrutti mancavano le cellule o le funzioni elettromeccaniche per replicare l’articolo originale. Ciò è dovuto alle sfide associate alla gestione delle cellule muscolari cardiache mature, che non proliferano o migrano prontamente, impedendo ai ricercatori di raggiungere l’elevata densità cellulare richiesta.
“L’inclusione di muscoli viventi contigui per supportare la funzione della pompa non è stata ancora raggiunta. Ciò è in gran parte dovuto alla sfida di raggiungere alte densità di cardiomiociti, un tipo di cellula notoriamente non proliferativo “, ha spiegato il team di ricerca. “Una strategia alternativa è quella di stampare con cellule staminali pluripotenti indotte dall’uomo, che possono proliferare ad alte densità e riempire gli spazi dei tessuti, e successivamente differenziarle in cardiomiociti in situ.”
A differenza dei tradizionali metodi di fusione, la bioprinting 3D offre ai ricercatori un modo accessibile per produrre tessuti più complicati da zero. Utilizzando cellule staminali altamente proliferative, il team del Minnesota mirava a indurre la differenziazione dei cardiomiociti in situ, personalizzando i tessuti per applicazioni cardiache.
Affinché questo approccio abbia successo, il team avrebbe bisogno di sviluppare una formulazione di bio-inchiostro che promuovesse la vitalità cellulare e consentisse la proliferazione di hiPSC e la successiva differenziazione in cardiomiociti. I ricercatori hanno raggiunto questo obiettivo adattando una formula ECM da studi precedenti, per promuovere la differenziazione dei cardiomiociti e creato un nuovo bio-inchiostro che potrebbe essere depositato con fedeltà spaziale.
Il processo di creazione del nuovo bio-inchiostro è iniziato con un materiale base di gelatina metacrilato (GelMA), che è stato successivamente reticolato tramite fotoattivazione per rendere stampabile il bio-inchiostro. È stato inoltre scoperto che l’aggiunta delle sostanze chimiche fibronectina e laminina-111, nonché delle cellule staminali e delle proteine ECM supporta la differenziazione dei cardiomiociti e l’integrità strutturale. Questa formulazione ha raggiunto una densità cellulare di 0,1 mg di DNA / g di gel, che è dello stesso ordine di grandezza del tessuto cardiaco nativo, rendendolo ideale per la sperimentazione.
Utilizzando una scansione a risonanza magnetica di un cuore umano e il bio-inchiostro recentemente ideato, il team ha stampato strutture cariche di cellule staminali 3D con due camere e un’entrata e un’uscita del vaso. Dopo che le cellule si sono moltiplicate fino a raggiungere una densità sufficiente, il team ha differenziato le cellule all’interno della struttura, assegnando loro ruoli diversi all’interno del cuore. Mentre il setto tra i ventricoli è stato parzialmente rimosso per fornire l’ingresso per il rilascio di nutrienti e la struttura era limitata a due connessioni vascolari, le prestazioni del cuore si sono dimostrate resistenti e funzionali.
Testando l’accuratezza della loro creazione, il team di ricerca ha utilizzato scansioni di risonanza magnetica per confrontare la loro struttura aortica con una ricostruzione digitale 3D. Non solo l’86 percento della struttura stampata si trovava entro 0,5 mm dal modello, ma un confronto trasversale ha rivelato un alto livello di fedeltà all’interno delle sue camere interne. Dopo 14 giorni, il 90 percento del volume di bio-inchiostro è stato popolato con cellule di colonie sia singolari che di grandi dimensioni e, dopo sei settimane, è stata osservata una morte cellulare molto limitata, suggerendo una salute cellulare in corso nella struttura aortica della replica.
Un diagramma che mostra il processo di produzione e la sovrapposizione (in alto) che dimostra l’accuratezza del cuore stampato in 3D. Immagine tramite la rivista Circulation Research.
Inoltre, la fabbricazione di routine delle cellule cardiache significava che era in grado di pompare sangue o “battere”. Al fine di determinare la misura in cui la funzione elettromeccanica è stata preservata in tutto il vaso, la funzione elettrica è stata misurata attraverso transitori di calcio di regioni selezionate casualmente per sei settimane. L’ampiezza del picco non è cambiata nel corso del tempo, né la frequenza dei battiti e l’organo artificiale ha mostrato il potenziale per durare considerevolmente più a lungo di sei settimane. La mappatura ottica è stata quindi utilizzata per misurare le variazioni di tensione nell’intera struttura. I potenziali d’azione risultanti rilevati sulla superficie del cuore, riflettevano la risposta prevista dai ricercatori alla frequenza di stimolazione alterata e alla stimolazione farmacologica.
Di conseguenza, il team del Minnesota ha concluso di aver creato con successo la prima robusta funzione elettromeccanica in una pompa cardiaca a camera perfusabile. Il cuore ha mostrato gli stessi comportamenti dopo sei settimane e, nelle sue regioni più dense, lo spessore della parete dell’organo ha superato i 500 μm. Non solo questo è maggiore di quello visualizzato dai singoli modelli del ventricolo, ma il team ha scoperto che un maggiore spessore dello strato cellulare aumenterebbe il volume del cuore della replica, risultando in una funzione della pompa più robusta. La risultante struttura del cuore umano macroscala può essere esaminata su più scale, offrendo in futuro molti potenziali benefici farmaceutici. Ciò potrebbe supportare notevolmente i test sui dispositivi medici e la cardiologia preclinica e avvicinare la ricerca al trapianto clinico.
“Questo progresso rappresenta un passo fondamentale verso la generazione di tessuti macroscala, simile agli organoidi a base aggregata, ma con il vantaggio critico di ospitare strutture geometriche essenziali per la funzione di pompaggio del muscolo cardiaco”, ha concluso il team di ricerca. “Guardando al futuro, gli organoidi a camera umana di questo tipo potrebbero anche servire da banco di prova per i dispositivi medici cardiaci e alla fine portare all’innesto di tessuto terapeutico.”
Cuori prodotti utilizzando la produzione additiva
La bioprinting 3D è stata utilizzata negli ultimi anni per creare una gamma di strutture vascolari, spesso per scopi di test e ricerca piuttosto che per il trapianto. Ricercatori biomedici del Centro di scienze della salute della Texas Tech University El Paso (TTUHSC El Paso) e dell’Università del Texas a El Paso (UTEP), ad esempio, hanno sviluppato mini-cuori usando la bioprinting 3D . Queste strutture del tessuto cardiaco sono state inviate alla Stazione Spaziale Internazionale (ISS) per avere un’idea di come la microgravità influisca sulla funzione del cuore umano.
Un team di scienziati dell’Università di Tel Aviv (TAU), Israele, ha anche progettato e stampato con successo un intero cuore , “completo di cellule, vasi sanguigni, ventricoli e camere”. La ricerca mirava a stabilire un precedente per il lavoro futuro esplorando la possibilità di creare tessuti stampati in 3D altamente dettagliati e specifici per il paziente.
Nel frattempo, BIOLIFE4D , un’azienda biotecnologica di Chicago, ha dimostrato con successo la capacità di stampare in 3D tessuti del cuore umano. La società mira a sviluppare una tecnologia in grado di stampare valvole 3D, vasi sanguigni, organi in miniatura e un cuore umano pieno.
I risultati dei ricercatori sono dettagliati nel loro articolo intitolato ” Stampa 3D della prossima generazione di celle a combustibile ad ossido solido potenziate ed elettrolisi ” pubblicato sulla rivista Circulation Research . Il rapporto è stato scritto da Molly E. Kupfer, Wei-Han Lin, Vasanth Ravikumar, Kaiyan Qiu, Lu Wang, Ling Gao, Didarul B. Bhuiyan, Megan Lenz, Jeffrey Ai, Ryan R. Mahutga, DeWayne Townsend, Jianyi Zhang , Michael C. McAlpine, Elena G. Tolkacheva e Brenda M. Ogle.
