Il progresso e la sfida in corso del tessuto cardiaco bioprinting 3D
Nel recente ” Bioprinting 3D e il suo potenziale impatto sul trattamento dell’insufficienza cardiaca: una prospettiva industriale”, gli autori Ravi K. Birla e Stuart K. Williams esplorano il potenziale dell’ingegneria dei tessuti nella medicina cardiaca e l’eventuale assemblaggio di un cuore bioprintato.
Mentre l’insufficienza cardiaca di solito richiede un trapianto, può essere difficile trovare un donatore adatto. Una volta completato un trapianto, c’è anche una lunga strada da percorrere attraverso una necessità permanente di terapia di soppressione immunitaria, un trattamento difficile per i pazienti. Il normale tasso di sopravvivenza per i pazienti è in genere inferiore a 13 anni.
“Attualmente ci sono oltre 6,2 milioni di pazienti negli Stati Uniti con insufficienza cardiaca e l’insufficienza cardiaca ha rappresentato 78.356 mortalità nel 2016”, hanno affermato gli autori.
In questo studio, i ricercatori hanno esaminato le sfide della bioprinting per la creazione del tessuto cardiaco, nonché il “processo logico e sistematico di bioprinting del cuore umano”.
Mentre la scienza medica è piena di strumenti, trattamenti e dispositivi progressivi, specialmente per i malati di cuore, nessuna tecnologia è stata più promettente per l’eventuale fabbricazione di organi rispetto all’ingegneria dei tessuti. Con il potenziale di produrre un cuore biofabricato, composto sia da “costruzione biologica che artificiale”, un cuore totale potrebbe realizzarsi con parti modulari per una facile sostituzione.
Definizione dell’ingegneria dei tessuti: i mattoni dell’ingegneria dei tessuti sono cellule, biomateriali e bioreattori. Le cellule sono gli elementi funzionali di tutti i tessuti e gli organi, mentre i biomateriali sono progettati per simulare la matrice extracellulare dei mammiferi e fornire supporto strutturale. I bioreattori sono dispositivi personalizzati per fornire segnali fisiologici per lo sviluppo e la maturazione di tessuti / organi 3D. La stimolazione elettrica viene erogata da elettrodi paralleli, mentre l’allungamento uniassiale, illustrato dalla singola freccia, è progettato per applicare il movimento ciclico del tessuto bioingegnerizzato.
L’ingegneria del tessuto cardiaco comprende:
Patch cardiache stampate in 3D
Pompe biologiche
ventricoli
valvole
Vasi sanguigni
Cuori bioartificiali completi
“La capacità di bioingegnere componenti del cuore o dell’intero cuore bioartificiale, entrambi hanno applicazioni nel cambiare lo standard di cura per i pazienti con disturbi cardiaci”, hanno spiegato gli autori. “A seconda della gravità del paziente, un cerotto cardiaco può essere sufficiente per aumentare la funzione contrattile persa, mentre in caso di insufficienza cardiaca cronica, può essere richiesto un cuore bioartificiale totale.”
“Oltre alla regolazione spaziale delle cellule, la bioprinting consente anche il posizionamento accurato dei biomateriali. È qui che la bioprinting 3D fornisce un potente strumento che ci consente di posizionare con precisione diversi tipi di cellule in uno schema molto specifico, consentendo in tal modo uno stretto controllo sul processo di bioingegneria del cuore. “
Panoramica dell’ingegneria dei tessuti cardiaci: il campo dell’ingegneria dei tessuti cardiaci comprende metodi per la bioingegneria del muscolo cardiaco 3D contrattile, pompe pulsanti biologiche, ventricoli sinistri bioingegnerizzati, valvole bioartificiali e innesti vascolari e cuori biofabbricati. Il muscolo cardiaco 3D contrattile è progettato per replicare le proprietà del tessuto muscolare del mammifero e può essere usato come cerotto per aumentare la pressione del ventricolo sinistro dopo infarto del miocardio. Le pompe pulsanti sono progettate per generare pressione intra-luminale e possono essere utilizzate come pompe biologiche. I ventricoli sinistri possono essere utilizzati come componente del cuore o in sostituzione di ventricoli con prestazioni insufficienti nei casi pediatrici di sindrome del cuore sinistro ipoplasico. Le valvole e gli innesti vascolari possono essere usati per sostituire le valvole e i vasi sanguigni dei mammiferi o come componenti del cuore bioingegnerizzato.
Componenti principali del cuore umano: il cuore umano è costituito da quattro camere, quattro valvole, il sistema di conduzione cardiaca, cardiomiociti contrattili e una complessa vascolarizzazione. Le quattro camere sono il ventricolo sinistro e destro e l’aorta, mentre le quattro valvole sono le valvole aortica e mitrale e le valvole polmonare e tricuspide. Il sistema di conduzione cardiaca è costituito dalle fibre SAN, AVN, fascio di His e Purkinje. La vascolarizzazione cardiaca è costituita dai vasi maggiori e dalla microcircolazione più piccola. I cardiomiociti sono le cellule responsabili della contrazione del muscolo cardiaco.
Finora, la maggior parte delle ricerche riguardanti la bioprinting del tessuto cardiaco ha dimostrato la “fattibilità iniziale dei cuori di bioprinting”. Con la quantità di ricerca e strumenti disponibili oggi, tali progressi sono inevitabili.
“Basandoci sull’attuale stato dell’arte nella bioingegneria del cuore intero, possiamo tranquillamente affermare che i cuori umani saranno disponibili per il trapianto clinico sebbene non possiamo assegnare un periodo di tempo specifico per questo destino da realizzare”, affermano gli autori.
La bioprinting del cuore umano ha le sue origini nella storia iniziale dell’ingegneria dei tessuti nel 2003, e successivamente nella ricerca alcuni anni dopo.
Il processo di bioprinting 3D: le celle isolate vengono sospese in un bioink personalizzato e caricate in una siringa. Esempi di cellule necessarie per la bioprint dei cuori includono cardiomiociti contrattili, conduzione di pacemaker e cellule di Purkinje, cellule di fibroblasti strutturali e cellule muscolari lisce vascolari e cellule endoteliali. La pressione pneumatica viene utilizzata per estrudere il bioink caricato a celle attraverso la punta di stampa e un approccio strato per strato viene utilizzato per costruire tessuti e / o organi
Scoperte scientifiche per la bioprinting 3D di cuori umani.
Vi è stato un successo in rapida crescita nella bioprinting e nella successiva fabbricazione del tessuto cardiaco, consentendo agli scienziati di realizzare meno fantasia in tali esercizi – e più di una realtà.
Processo per la bioprinting dei cuori umani: le immagini MRI del paziente vengono utilizzate per modellare il cuore. I fibroblasti cutanei vengono isolati dalle biopsie cutanee dei pazienti e convertiti in cellule iPS e quindi in cardiomiociti. I cardiomiociti sono combinati con bioink e utilizzati per la bioprint dei cuori umani specifici del paziente. I cuori bioprinted sono condizionati nei bioreattori e utilizzati per il trapianto.
La tabella di marcia per la bioprinting di un cuore comprende:
Stampa 3D del microcircolo
Costruzione di strutture macrovascolari coronariche
Bioprinting 3D per il sistema di conduzione cardiaca
Bioprinting 3D per valvole cardiache
Bioprinting 3D per il muscolo cardiaco
“La singola sfida più importante che deve essere superata sul campo, e che in generale sconcerta il campo della terapia con cellule staminali cardiache, è l’immaturità dei cardiomiociti riprogrammati”, concludono i ricercatori. “La conversione delle cellule iPS in cardiomiociti è ora standard e riproducibile, le cellule differenziate assomigliano a un fenotipo embrionale e guidare queste cellule verso un fenotipo adulto rimane una sfida fondamentale nel campo della terapia con cellule staminali cardiache”.
“Una volta riprodotta da laboratori di ricerca indipendenti, unita alla disponibilità di bioreattori commerciali per la stimolazione elettromeccanica, la disponibilità di cardiomiociti maturi fornirà un chiaro percorso per la bioprint 3D dei cuori umani per il trapianto clinico.”