Per evitare la necessità di interventi chirurgici ripetuti, gli scienziati stanno sviluppando valvole cardiache artificiali durevoli da tessuto rigenerato.
Il cuore è un organo incredibile. Attraverso uno sforzo coordinato, le quattro camere del cuore e le valvole di collegamento lavorano all’unisono per regolare il flusso sanguigno, mantenendo ossigeno e sostanze nutritive in circolazione in tutto il corpo.
“È affascinante conoscere lo squisito equilibrio delle proprietà [delle valvole cardiache], che consentono loro di resistere a milioni di cicli di apertura e chiusura nel corso della loro vita”, ha affermato Petra Mela, professoressa presso il Dipartimento di ingegneria meccanica dell’Università tecnica di Monaco . “Come possono le valvole cardiache native raggiungere questo obiettivo? Di che tipo di materiale sono fatti per fornire queste caratteristiche eccezionali in modo così perfetto?”
Mela e la sua collaboratrice Elena De-Juan-Pardo dell’Harry Perkins Institute of Medical Research e dell’Università dell’Australia occidentale hanno sviluppato un mezzo per creare valvole cardiache artificiali derivate dalle cellule dei pazienti che vanno oltre la semplice protesi artificiale.
“La spinta principale per noi è il potenziale impatto del nostro lavoro sui pazienti in tutto il mondo”, ha affermato De-Juan-Pardo. “La malattia delle valvole cardiache è il terzo principale fattore di malattie cardiovascolari, che è la prima causa di mortalità nel mondo”.
Se non è possibile riparare una valvola rotta, l’attuale standard di cura prevede l’impianto di una valvola protesica. “La protesi dovrebbe idealmente rimanere nel paziente per tutta la vita”, ha affermato De-Juan-Pardo. “Eppure quella valvola durerà solo un numero limitato di anni.”
Ciò significa che i pazienti devono sottoporsi a più interventi poiché le valvole artificiali si consumano o, nei pazienti pediatrici, poiché sono necessarie nuove valvole per abbinare le dimensioni della valvola ai loro corpi in crescita. Le valvole cardiache meccaniche e biologiche disponibili sono intrinsecamente incapaci di rimodellare e crescere con il bambino, affermano i ricercatori.
“Ci impegniamo a risolvere questi problemi portando gli ultimi progressi tecnologici nella stampa 3D al livello successivo per produrre valvole cardiache artificiali con la capacità di crescere e rimodellare con il paziente, offrendo un approccio rigenerativo rispetto a un impianto permanente intrinsecamente incapace di adattarsi”, ha detto Mela.
Nel loro studio pubblicato su Advanced Functional Materials , Mela, De-Juan-Pardo e i loro team hanno utilizzato una tecnica di stampa 3D chiamata melt electrowriting per creare impianti di valvole cardiache con eterogeneità strutturale di ispirazione biologica, potenzialmente dotati della capacità di crescere con il paziente .
“L’elettroscrittura a fusione si presta molto bene all’ingegneria dei tessuti in quanto ci consente di organizzare in modo squisito la deposizione delle fibre in modelli complessi”, ha affermato De-Juan-Pardo. “Questo ci consente di imitare l’orientamento di alcuni dei componenti strutturali visti nei tessuti molli, in questo caso la valvola cardiaca aortica”.
In contrasto con la stampa 3D convenzionale, l’elettroscrittura a fusione combina un campo elettrico, una temperatura e una pressione applicati per creare un getto carico di polimero fuso. Ciò consente ai ricercatori di depositare microfibre che sono circa 1/10 dello spessore di un capello umano con incredibile precisione in uno schema predefinito. “Ciò si traduce in scaffold con caratteristiche eccellenti”, ha aggiunto Mela.
La sfida, afferma il team, è stata la produzione di un’impalcatura in grado di resistere alle funzioni impegnative di una valvola cardiaca pur rimanendo sufficientemente porosa da consentire alle cellule del paziente di colonizzare l’impalcatura e prosperare.
“In effetti, le proprietà strutturali non ottimali degli scaffold fibrosi densi fino ad oggi sono un problema importante che mette a repentaglio il loro potenziale clinico”, ha affermato Mela. “Utilizzando la straordinaria precisione dell’elettroscrittura a fusione e una piattaforma digitale su misura, dimostriamo una prova di concetto pionieristica per un costrutto completo di valvole cardiache pronto all’uso che potrebbe essere ulteriormente esteso ad altre applicazioni di ingegneria dei tessuti molli”.
La piattaforma digitale del team è progettata per produrre modelli complessi che imitano le varie strutture tissutali osservate in tutta la valvola cardiaca, che vengono quindi combinate con impalcature di idrogel microporose . “Insieme questi forniscono sia l’integrità strutturale richiesta per resistere alle difficili condizioni di carico cardiovascolare sia un’adeguata porosità per consentire l’infiltrazione cellulare”, ha aggiunto De-Juan-Pardo. “Il risultato è una valvola cardiaca tubolare unica nel suo genere, che beneficia di entrambe le classi di scaffold”.
Per testare le capacità delle loro valvole cardiache artificiali, i ricercatori hanno creato un finto sistema circolatorio e li hanno sottoposti alla stessa pressione e portata che sperimenterebbe una valvola cardiaca naturale. I risultati sono stati promettenti, dimostrando prestazioni eccellenti in una serie di condizioni, soddisfacendo gli standard del settore.
Sono necessari ulteriori test prima che i costrutti della valvola cardiaca possano essere utilizzati in ambito clinico. Dopo aver verificato che il materiale sia sufficientemente resistente, verrà testato su modelli animali in un ambiente preclinico. “Le sfide principali qui saranno la comprensione e l’ottimizzazione del metodo di impianto, l’analisi della risposta biologica innescata dalla valvola e la sua funzionalità emodinamica per un lungo periodo nei grandi animali”, ha affermato Mela. “Dopo il successo di studi a lungo termine sugli animali, saremmo nella posizione di iniziare a prepararci per i primi studi clinici sull’uomo prima di passare al trattamento regolare dei pazienti”.
Lo studio è : Spatially Heterogeneous Tubular Scaffolds for In Situ Heart Valve Tissue Engineering Using Melt Electrowriting : pubblicato sulla rivista Advanced Functional Materials. Lo studioha come autori N. Saidy, A. Fernandez-Colino, B. Heidari, R. Kent, M. Vernon, O. Bas, S. Mulderrig, A. Lubig, J. Rodriguez-Cabello, B. Doyle , D. Hutmacher, E. De-Juan-Pardo e P. Mela.
