Primul model biohibrid de ventriculi umani cu celule cardiace, care imită mişcările inimii, a fost reuşit de o echipă de ingineri de la Harvard.
Pentru a construi o inimă umană de la zero, cercetătorii trebuie, printre altele, să reproducă structurile unice care alcătuiesc acest organ, inclusiv să recreeze geometriile responsabile de mişcările de răsucire ale acestuia, pe măsură ce inima bate. Oamenii de ştiinţă au emis mai demult ipoteza că mişcarea de răsucire a inimii este esenţială pentru pomparea sângelui la volume mari, dar teoria s-a dovedit a fi dificil de demonstrat, în parte şi pentru că dezvoltarea unei inimi care să respecte diferitele geometrii şi alinieri musculare reprezintă o provocare.
Acum, bioinginerii de la Harvard, de la School of Engineering and Applied Sciences (SEAS), au reuşit să dezvolte primul model hibrid de ventriculi umani realizat cu celule cardiace aliniate spiralat, şi au arătat că această aliniere musculară creşte dramatic volumul de sânge pompat de ventricul cu fiecare contracţie.
În noua reuşită, ventriculii imită aceeaşi mişcare de răsucire prezentă într-o inimă umană, cu fiecare bătaie.
Progresul a fost posibil prin folosirea unei metode unice de creare a fibrelor aliniate elicoidal, cu diametre variind de la mai mulţi micrometri la sute de nanometri, care alcătuiesc inima, pe care aceeaşi echipă a dezvoltat-o. Noul sistem FRJS (Focused Rotary Jet Spinning), direcţionează alinierea celulară, permiţând formarea unor structuri de ţesuturi proiectate controlat.
„Acest rezultat este un important pas înainte în biofabricarea organelor şi ne aduce mai aproape de obiectivul nostru final, acela de a construi o inimă umană pentru transplant”, a declarat autorul principal Kit Parker, profesor de bioinginerie şi fizică aplicată la Harvard.
Reuşita savanţilor îşi are rădăcinile într-un mister vechi de secole. În 1669, medicul englez Richard Lower, coleg la şcoala de medicină cu filozoful John Locke, şi care l-a avut printre pacienţii săi pe regele Carol al II-lea, a remarcat pentru prima dată aranjamentul în spirală al muşchilor inimii, în lucrarea sa, Tractatus de Corde.
De-a lungul următoarele trei secole, medicii şi oamenii de ştiinţă au reuşit o descriere mai cuprinzătoare a structurii inimii, dar funcţia muşchilor spiralaţi a rămas greu de studiat.
În 1969, Edward Sallin, fost preşedinte al departamentului de biomatematică de la facultatea de medicină din Birmingham, din cadrul universităţii din Alabama, a susţinut că alinierea elicoidală a celulelor inimii este esenţială pentru realizarea fracţiunilor mari de ejecţie, procentul de sânge pe care îl pompează ventriculul cu fiecare contracţie.
„Scopul nostru a fost să construim un model în care să putem testa ipoteza lui Sallin şi să studiem importanţa majoră a structurii elicoidale a inimii”, a declarat John Zimmerman, cercetător postdoctoral la SEAS şi coautor al lucrării publicate în Science.
Cercetătorii au folosit noul sistem FRJS pentru a controla alinierea fibrelor pe care au putut creşte celule cardiace.
„Inima umană are de fapt mai multe straturi de muşchi aliniaţi elicoidal, cu unghiuri diferite de aliniere. Cu FRJS, putem recrea aceste structuri complexe într-un mod foarte precis, formând structuri ventriculare unice şi chiar cu patru camera”, a declarat Huibin Chang, cercetător post doctoral la SEAS şi coautor al lucrării.
Spre deosebire de imprimarea 3D, care devine mai lentă pe măsură ce caracteristicile devin mai mici, FRJS poate executa rapid fibrele la o scală de ordinul micronilor, (de aproximativ cincizeci de ori mai mică decât un singur fir de păr uman). Pentru a replica, de exemplu, colagenul, o proteină din matricea extracelulară a inimii, care are dimensiuni de un singur micron în diametru, cercetătorii ar avea nevoie de mai mult de 100 de ani pentru a imprima 3D toate porţiunile de colagen din inima umană, la această rezoluţie. Sistemul FRJS poate face asta într-o singură zi.
Echipa a demonstrat că procesul poate fi extins până la dimensiunea unei inimi umane reale şi chiar până la dimensiunea unei inimi de balenă Minke (cea mai mică dintre balenele mari). Cercetătorii nu au folosit modelele mai mari de balenă, deoarece ar fi trebuit să producă miliarde de cardiomiocite (celulele din muşchiul cardiac).
Bolile de inimă, principala cauză de deces în SUA, sunt atât de periculoase şi pentru că inima, spre deosebire de alte organe, nu se poate repara după leziuni. De aceea, ingineria ţesuturilor, şi, în final, fabricarea în totalitate a unei inimi umane pentru transplant este atât de importantă pentru viitorul cardiologiei, au mai precizat autorii.
