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Bioimpressão de "coração" e tecidos cardíacos

Atualizado: 19 de Ago de 2019


Por que ainda não temos órgãos funcionais impressos? Por que não temos corações bioimpressos? Veja alguns desafios pontuados por mim e pelo grupo de pesquisadores de Israel, que publicou o trabalho intitulado de "3D Printing of Personalized Thick and Perfusable Cardiac Patches and Hearts" na revista Advanced Science.

  • A produção de tecidos vascularizados espessos AINDA PERMANECE um desafio não atendido na engenharia de tecidos cardíacos.

  • Estudos futuros devem se concentrar no desenvolvimento de software, hardware e métodos para permitir o cultivo eficiente e controlado do órgão impresso - sistemas integrados de biorreatores.

  • A cultura a longo prazo, que fornece ao tecido um suprimento constante de oxigênio e nutrientes, bem como estímulos bioquímicos, fisiológicos e eletromecânicos, permitirá que ocorram processos naturais de maturação. Tais estímulos e conhecimentos são essenciais para a geração de órgãos funcionais, mecanicamente estáveis, que podem ser passíveis de aplicações clínicas.




Um grupo de pesquisadores de Israel (da Universidade de Tel Aviv), trabalharam com uma abordagem para impressões cardíacas espessas, vascularizadas e perfundidas impressas em 3D que correspondem às propriedades imunológicas, celulares, bioquímicas e anatômicas do paciente. Para este fim, uma biópsia do tecido omental - uma espécie de cortina de gordura abdominal - é retirada do paciente. Enquanto as células são reprogramadas para se tornar células-tronco pluripotentes e diferenciadas para cardiomiócitos e células endoteliais, a matriz extracelular é processada em um hidrogel personalizado. As células reprogramadas são as células tronco pluripotente induzidas - células adultas que, por meio da expressão de fatores de transcrição específicos, ganham uma característica bastante particular de célula embrionária, a pluripotência.


Após essa primeira etapa, os dois tipos de células são combinados separadamente com hidrogéis para formar a biotinta para o tecido cardíaco parenquimatoso e vasos sanguíneos. A capacidade de imprimir curativos (patches) vascularizados funcionais de acordo com a anatomia do paciente é demonstrada. A arquitetura dos vasos sanguíneos é melhorada pela modelagem matemática da transferência de oxigênio. A estrutura e função dos curativos são estudadas in vitro e morfologia das células cardíacas é avaliada após o transplante, revelando cardiomiócitos alongados com estriamento massivo de actinina - proteína que faz parte dos microfilamentos da actina (é um dos três elementos fundamentais do esqueleto celular).


A bioimpressão de curativos ou patches cardíacos vascularizados não é novidade, em 2018 um grupo de pesquisadores publicou na conceituada revista Scientific Reports sobre o projeto de tecido cardíaco vascularizados. Quer saber mais - Clique aqui !


Conceito esquemático do trabalho. Um tecido de omento - gordura - é extraído do paciente e enquanto as células são separadas da matriz, este é processado em um hidrogel termorresistente personalizado. As células são reprogramadas para se tornarem pluripotentes e são então diferenciadas para cardiomiócitos e células endoteliais, seguidas por encapsulamento dentro do hidrogel para gerar as biotintas usadas para impressão. As biotintas são então impressas para projetar curativos (patches) vascularizados e celularizados. O tecido manipulado autólogo resultante pode ser transplantado de volta para o paciente, para reparar ou substituir órgãos lesionados / doentes com baixo risco de rejeição - pode, porém necessita de mais resultados para comprovar a eficácia.

Como prova de conceito, o coração celularizado com uma arquitetura natural foi impresso pelo grupo de pesquisadores de Israel. Estes resultados demonstram apenas o potencial da abordagem para a engenharia de tecidos e órgãos personalizados, e para testes de drogas (aplicação da tecnologia mais plausível hoje) em uma estrutura anatômica apropriada e microambiente bioquímico específico do paciente.

As experiências do grupo incluíram dois modelos celulares (apenas modelos). Um modelo foi usado como uma prova de conceito para o tratamento específico do paciente, e incluiu cardiomiócitos derivados de células-tronco pluripotentes induzidas (iPSCs) e células endoteliais (ECs). O segundo modelo baseou-se em cardiomiócitos neonatais de ratos, células endoteliais de veias umbilicais humanas (HUVECs) e fibroblastos que suportam o lúmen, permitindo a impressão em grande escala.


Duas biotintas celulares foram geradas. A biotinta da célula cardíaca, que foi usado para imprimir o tecido do parênquima, e uma biotinta consistindo de células formadoras de vasos sanguíneos. Para este fim, as iPSCs foram reprogramadas a partir das células estromais dos tecidos de gordura humanos, usadas para a preparação de hidrogéis. As células exibiram os marcadores de pluripotência OCT4 e Ki67, e após exposição aos protocolos de diferenciação de células endoteliais e cardíacas, expressaram CD31 e vimentina (Figura 2h) e NKX2-5, actinina sarcomérica e troponina. Em seguida, os pesquisadores modelaram o CAD de impressão 3D na anatomia do paciente. A tomografia computadorizada (TC) do coração foi usada para identificar a estrutura 3D e a orientação dos principais vasos sanguíneos no ventrículo esquerdo. Para ajustar o curativo cardíaco tridimensional ao ventrículo esquerdo do paciente, as dimensões do curativo e a geometria do vaso sanguíneo foram projetadas por um software de desenho auxiliado por computador (CAD) que utilizou dados anatômicos das imagens de TC.

A tomografia não pode fornecer imagens de pequenos vasos sanguíneos, portanto, para assegurar a exposição adequada de todo o curativo cardíaco ao meio oxigenado durante o cultivo in vitro e após o transplante, vasos sanguíneos menores foram adicionados ao desenho básico da vasculatura, de acordo com um modelo matemático.

O modelo levou em consideração a difusão de oxigênio de acordo com a segunda lei e consumo de Fick segundo a equação de Michaelis-Menten, permitindo projetar tamanho, distribuição e orientação ideais dos vasos sanguíneos suplementados. Podemos chamar essa etapa de BioCAE - tema discutido no blog do site www.biofabricacao.com


O hidrogel personalizado foi em seguida misturado com cardiomiócitos derivados de iPSC ou células cardíacas neonatais, e foi usado para imprimir o tecido cardíaco modificado. As células endoteliais (ECs) derivadas de iPSC ou uma combinação de ECs humanos expressando GFP madura com fibroblastos que expressam RFP foram misturados com gelatina (hidrogel composto de colágeno mais comum usado na bioimpressão), que serviu como um material de suporte. Uma bioimpressora 3D, equipada com cabeças de impressão baseadas em extrusão (pistão pneumático), foi usada para imprimir o hidrogel contendo células simultaneamente com gelatina que contém células formadoras de vasos sanguíneos para criar uma camada 3D espessa (≈2 mm), de curativo vascularizado específico do paciente que tinha alta viabilidade celular.


Esquema da bioimpressão de curativo vascularizados

Após incubação a 37 ° C, as células formadoras de vasos sanguíneos aderiram às bordas do hidrogel de tecido de gordura, enquanto a gelatina tornou-se líquida e foi lavada da construção, deixando lúmens (canais) abertos de ≈300 μm de diâmetro dentro dos fragmentos cardíacos.


A função do "curativo" cardíaco vascularizado impresso foi avaliada medindo os níveis de cálcio no tecido manipulado em contração. Os íons de cálcio medeiam sinais extracelulares em processos intracelulares. O sistema de sinalização baseado em elevações transitórias ou oscilações da concentração de cálcio citoplasmático tem grandes vantagens em tecidos musculares.


Em seguida, o grupo de pesquisadores demonstrou a capacidade da abordagem de imprimir arquiteturas anatômicas complexas e volumétricas.


Como prova de conceito, produziram MODELOS de coração (não funcional) compostos de células em pequena escala com apenas os principais vasos sanguíneos, com base em um design digital. Os corações (altura: 20 mm; diâmetro: 14 mm) foram impressos no meio de suporte com duas biotintas distintas, contendo cardiomiócitos pré-preparados e células endoteliais (ECs) .

Apenas para melhor visualização, as construções foram impressas com biotintas suplementados com esferas de poliestireno de 1 μm azul (vasos sanguíneos) e vermelho (tecido cardíaco). Após aquecimento a 37 ° C e extração, corantes azuis e vermelhos foram injetados nos ventrículos direito e esquerdo, respectivamente, para demonstrar a integridade dos diferentes compartimentos. A capacidade de manipular e perfundir os corações impressos também foi demonstrada, indicando em sua estrutura anatômica básica e estabilidade mecânica e robustez. As propriedades mecânicas da matriz extracelular impressa de coração revelaram uma grande semelhança com as propriedades dos corações de ratos descelularizados - ainda necessita de muitos estudos para revelar essas "grandes semelhanças" que o artigo informa.


Entretanto, o coração não possui uma diversidade de funcionalidades, nem válvulas cardíacas.

Conclusão

O grupo de pesquisadores relata o potencial da tecnologia para projetar curativos (patches) cardíacos vascularizados que combinam totalmente com a estrutura anatômica, assim como com os componentes bioquímicos e celulares de qualquer indivíduo. Como a tecnologia de bioimpressão já evidencia, uma vez que as biotintas são originárias do mesmo paciente, as amostras manipuladas não provocam uma resposta imune após o transplante, eliminando a necessidade de tratamento de imunossupressão. Além disso, uma formulação personalizada foi desenvolvida para apoiar a impressão em hidrogel personalizado, produzindo estruturas biológicas grandes e complexas. Assim, os corações celularizados com uma arquitetura natural foram projetados, demonstrando o potencial do abordagem para substituição de órgãos após falha (futuro), ou para triagem de drogas em uma estrutura anatômica apropriada. Estudos in vitro de longo prazo e experimentos de implantação in vivo em modelos animais devem ser realizados para avaliar adequadamente o destino e o valor terapêutico dos tecidos impressos.


Embora a impressão 3D seja considerada uma abordagem promissora para a engenharia de órgãos inteiros, vários desafios ainda permanecem. Estes incluem a expansão eficiente de iPSCs para obter o alto número de células necessário para projetar um órgão grande e funcional. Além disso, novas abordagens de bioengenharia são necessárias para proporcionar o cultivo de longo prazo dos órgãos e uma transferência de massa eficiente, enquanto fornecem estímulos bioquímicos e físicos para a maturação. A rede de vasos sanguíneos impressos demonstrada neste estudo ainda é limitada. Para enfrentar esse desafio, são necessárias estratégias para visualizar os vasos sanguíneos inteiros do coração e incorporá-los à planta do órgão.
Finalmente, tecnologias avançadas para imprimir com precisão esses vasos sanguíneos de pequeno diâmetro dentro de estruturas espessas devem ser desenvolvidas.
Ainda não temos órgãos bioimpressos funcionais.

Sobre a pesquisadora:

Janaina Dernowsek: Bióloga Geneticista e Pesquisadora na área de Biofabricação e Bioimpressão de Tecidos. Pesquisadora associada ao Centro de Tecnologia da Informação Renato Archer, INCT - Regenera e UNIFESP. - Idealizadora da BioEdTech (formação e capacitação em Bioimpressão), e do projeto Bio3Data (software para a Bioimpressão). Sabia mais aqui!

Como citar essa matéria: DERNOWSEK, JA. Impressão 3D de curativo cardíaco e MODELO de coração "não funcional". Blog BioEdTech. São Paulo, 15 abril 2019. Disponível em: <https://www.bioedtech.online/blog/coração-não-funcional> Acesso em: 15 abr. 2019.


Principal referência utilizada na matéria:

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