O echipă interdisciplinară de ingineri, biologi și geneticieni a dezvoltat un nou mod de a studia inima. Ei au construit o replică în miniatură a unei camere cardiace din țesut cardiac uman viu, dezvoltat din celule stem, și componente miniaturale proiectate în laborator. Inima miniaturală bate singură, fără ajutorul unor surse exterioare de energie.
În Statele Unite, o persoană moare din cauza bolilor de inimă la fiecare 36 de secunde, potrivit Centrelor pentru Controlul și Prevenirea Bolilor.
Pentru a studia inima și a înțelege mai bine cum funcționează acest organ vital, savanții au încercat de-a lungul timpului diferite metode.
Ei au cuplat inimi post-mortem la surse de energie pentru a le face să pompeze din nou, au atașat țesuturi cardiace crescute în laborator la diferite mecanisme mecanice pentru a le urmări cum se dilată și se contractă.
Acum, savanții au reușit să dezvolte o inimă în miniatură din țesut uman viu și componente artificiale proiectate în laborator. Fără surse exterioare de energie sau alte mecanisme mecanice, inima bate de la sine, dirijată de țesutul cardiac crescut din celule stem.
Oamenii de știință au botezat inima miniaturală, miniPUMP.
Dispozitivul ar putea oferi cercetătorilor o imagine mai exactă a modului în care funcționează acest organ, permițându-le să urmărească în laborator, cu risc zero pentru pacienți, modul în care inima se dezvoltă în embrion, să studieze impactul bolilor și să testeze eficacitatea și efectele secundare ale unor medicamente noi.
Universitatea din Boston, care a condus echipa de specialiști, spune că tehnologia ar putea deschide calea pentru construirea în laborator și a altor organe, cum ar fi plămâni sau rinichi. Concluziile oamenilor de știință au fost publicate în Science Advances.
„Putem studia progresia bolilor într-un mod care nu a fost posibil până acum. Am ales să lucrăm la țesutul cardiac datorită mecanicii sale deosebit de complicate, și am reușit să arătăm că, atunci când combini nanotehnologia cu ingineria țesuturilor, există potențialul de a replica această tehnologie și pentru diferite alte organe“, a declarat Alice White, profesor la colegiul de inginerie din cadrul universității Boston, șefa departamentului de inginerie mecanică.
Potrivit cercetătorilor, dispozitivul ar putea accelera procesul de dezvoltare al medicamentelor, făcându-l să dureze mai puțin și să fie mai ieftin.
În loc să cheltuiască milioane și să dureze zeci de ani până un medicament ajunge să fie testat la om, cercetătorii ar putea folosi miniPUMP de la început pentru a estima succesul sau eșecul unui medicament.
Cercetarea face parte dintr-un un proiect multi-instituțional al Centrului Fundației Naționale de Știință în Cercetarea și Ingineria Materialelor Celulare, condus de universitatea din Boston, numit CELL-MET.
Adunând laolaltă o comunitate de oameni de știință și de experți, centrul își propune regenerarea țesutului cardiac uman, prin testarea de noi medicamente și crearea de țesuturi artificiale implantabile pentru inimile afectate de atac de cord sau alte boli.
„Bolile de inimă sunt cauza numărul unu de deces în Statele Unite, și ne pot afecta pe toți. În prezent, nu există niciun tratament pentru un atac de cord. Viziunea CELL-MET este de a schimba acest lucru“, a spus White la prezentarea noii tehnologii.
„Inima experimentează forțe complexe în timp ce pompează sânge prin corpul uman. Și, în timp ce știm că mușchii inimii se deteriorează ca răspuns la anumite anomalii, cum ar fi hipertensiunea arterială sau boli ale valvelor, până acum a fost dificil să se replice aceste afecțiuni pentru a putea fi studiate. De aceea am vrut să construim o cameră a inimii în miniatură“, a explicat Christopher Chen, profesor emerit de inginerie biomedicală la BU.
Având doar 3 centimetri pătrați, miniPUMP nu este cu mult mai mare decât un timbru poștal și a fost construită pentru a acționa ca un ventricul al inimii umane (camera musculară inferioară). Componentele sale personalizate sunt montate pe o bucată subțire de plastic imprimate 3-D.
Dispozitivul are supape acrilice miniaturale de deschidere și închidere, care controlează fluxul de lichid (în acest caz apă în loc de sânge), și mici tuburi ca niște pâlnii, care conduc lichidul la fel ca arterele și venele din organismul uman.
Într-un colț al dispozitivului, realizate cu ajutorul tehnologiei celulelor stem, bat celulele musculare (cardiomiocite), care fac ca țesutul cardiac să se contracte.
„Acestea sunt generate folosind celule stem pluripotente induse“, spune Christos Michas, cercetător postdoctoral care a proiectat și a condus dezvoltarea miniPUMP ca parte a tezei sale de doctorat.
Pentru a produce cardiomiocite, cercetătorii colectează o celulă de la un adult, care poate fi o celulă a pielii, o celulă sanguină sau aproape orice altă celulă, pe care o reprogramează într-o celulă stem embrionară, și pe care o transformă apoi într-o celulă a inimii.
Pe lângă faptul că transformă dispozitivul într-o inimă miniaturală, cardiomiocitele oferă sistemului un potențial enorm pentru dezvoltarea medicamentelor personalizate, spune Michas.
Cercetătorii pot plasa țesut bolnav în dispozitiv și pot apoi testa diferite medicamente pe acel țesut, urmărind cum este afectată capacitatea de pompare.
„Cu acest sistem, dacă luăm celule de la un individ putem vedea cum ar reacționa acel individ la medicamente, pentru că folosim celulele sale. Acest sistem reproduce mai bine o parte din funcția inimii, și ne oferă, în același timp, flexibilitatea de a putea testa mai multe organisme umane. Este un model mai predictiv pentru a vedea efectele la om, fără a lucra de fapt pe oameni“, a spus Michas.
Potrivit cercetătorului, acest lucru ar putea permite oamenilor de știință să evalueze șansele de succes ale noilor medicamente pentru bolile de inimă cu mult înainte de studiile clinice. Mulți candidați de medicamente eșuează din cauza efectelor secundare adverse.
„La început, când încă testăm celulele, putem introduce aceste dispozitive și putem avea predicții mai precise despre ceea ce se va întâmpla în studiile clinice. În acest fel, medicamentele ar putea avea mai puține efecte secundare“, spune Michas.
Una dintre părțile cheie ale dispozitivului miniPUMP este o schelă acrilică care susține și se mișcă odată cu țesutul cardiac în timp ce acesta se contractă.
O serie de spirale concentrice extrafine, mai subțiri decât firul de păr uman, sunt conectate prin inele orizontale, făcând ca schela acrilică să arate ca un piston artistic.
Este o piesă esențială a dispozitivului, care formează structura celulelor inimii, fără a exercita nicio forță activă asupra lor.
„Nu credem că metodele anterioare studiază țesutul cardiac în acest mod, în care mușchiul răspunde în corpul uman. Am avut ocazia să construim pentru prima dată un dispozitiv mecanic asemănător cu ceea ce credem că se confruntă, de fapt, inima și este un mare pas înainte“, spune Christopher S. Chen, directorul Centrului de Design Biologic al BU și membru asociat al facultății de inginerie biologică din cadrul universității Harvard.
Pentru a imprima fiecare dintre componentele minuscule ale dispozitivului, echipa a folosit un proces numit scriere directă cu laser folosind tehnica fotopolimerizării cu doi fotoni, o versiune mai precisă a imprimării 3-D.
Când lumina trece printr-o rășină lichidă, zonele pe care le atinge devin solide. Întrucât lumina poate fi focalizată cu o astfel de precizie și concentrată într-un punct minuscul, multe dintre componentele din miniPUMP sunt de ordinul micronilor, mai mici decât o particulă de praf.
Oamenii de știință au creat dispozitivul la o mărime miniaturală și nu la scară reală, întrucât dimensiunea sa este crucială pentru funcționarea acestuia.
„Elementele structurale sunt atât de fine pentru a face ca părțile care ar fi de obicei rigide să fie flexibile. Prin analogie, dacă ne gândim la fibra optică, o fereastră de sticlă este foarte rigidă, dar putem înfășura fibra optică de sticlă în jurul degetului.
Acrilicul poate fi foarte rigid, dar folosită la scara miniaturală cum este în miniPUMP, schela acrilică poate fi comprimată de cardiomiocitele care bat“, a explicat White.
Chen spune că scara dispozitivului demonstrează că „o arhitectură de imprimare mai fină, este capabilă să creeze o organizare mai complexă a celulelor decât am crezut înainte că ar fi posibil“.
Atunci când cercetătorii încearcă să creeze celule, spune el, fie că sunt celule cardiace sau celule hepatice, toate sunt dezorganizate. Asta înseamnă că schelele pentru țesut inovate în miniPUMP ar putea fi folosite și la realizarea altor organe miniaturale cum ar fi rinichii sau plâmânii.
Obiectivul imediat următor pentru echipa ar fi acela de a rafina tehnologia. De asemenea, cercetătorii intenționează să testeze modalități de fabricare a dispozitivului fără a compromite fiabilitatea acestuia.
„Are atât de multe aplicații pentru cercetare. Pe lângă faptul că ne oferă acces la mușchiul uman al inimii pentru a studia bolile și diversele patologii, această lucrare deschide calea către confecționarea unor plasturi cardiaci care ar putea fi folosiți la cei cu anumite defecte la inimă“, a mai menționat Chen.
Articolul Un nou dispozitiv pentru studiul inimii ar putea ajuta la accelerarea dezvoltării de medicamente apare prima dată în 360medical.ro.