Le malattie cardiache – la principale causa di morte negli Stati Uniti – in parte sono così mortali perché il cuore, a differenza di altri organi, dopo una lesione non può ripararsi da solo. Ecco perché l’ingegneria dei tessuti, che in definitiva include la fabbricazione di un intero cuore umano per il trapianto, è così importante per il futuro della medicina cardiaca.
I ricercatori per costruire da zero un cuore umano, devono replicare le strutture uniche che compongono il cuore. Ciò include la ricostruzione di geometrie elicoidali, che creano un movimento di torsione mentre il cuore batte. È stato a lungo teorizzato che questo movimento di torsione sia fondamentale per pompare il sangue ad alti volumi, ma dimostrarlo è stato difficile, in parte perché creare cuori con geometrie e allineamenti diversi è stato impegnativo.
Ora, i bioingegneri della Harvard John A. Paulson School of Engineering and Applied Sciences (SEAS) nello studio pubblicato nella rivista Science, hanno sviluppato il primo modello bioibrido di ventricoli umani con cellule cardiache battenti allineate elicoidalmente, hanno dimostrato che l’allineamento muscolare, in effetti, aumenta notevolmente quanto sangue il ventricolo può pompare ad ogni contrazione (vedi video).
Il progresso medico è stato reso possibile utilizzando un nuovo metodo di produzione tessile additiva chiamata Filatura a getto rotante focalizzata (FRJS), è un metodo che utilizza la filatura centrifuga per formare rapidamente le fibre. Le fibre con un flusso d’aria controllato, successivamente sono allineate e depositate in posizioni mirate. Utilizzando il flusso d’aria, questo metodo consente di manipolare contemporaneamente migliaia di micro/nanofibre, garantendo un’elevata produttività.
FRJS con il flusso d’aria appositamente progettato, può produrre strutture in fibra 3D che sono molto più complesse di quanto possano creare i metodi attuali. Ha consentito la fabbricazione ad alta produttività di fibre allineate elicoidalmente con diametri che vanno da diversi micrometri a centinaia di nanometri. Le fibre FRJS sviluppate al SEAS dal Kit Parker’s Disease Biophysics Group, dirigono l’allineamento cellulare, consentendo la formazione di strutture controllate di ingegneria tissutale.
Kevin Kit Parker professore di bioingegneria e fisica applicata, autore senior della ricerca, ha detto:
«È questo un importante passo avanti per la biofabbricazione di organi, ci avvicina al nostro obiettivo finale di costruire un cuore umano per il trapianto».
Risolvere un mistero di 300 anni
La ricerca affonda le sue radici in un mistero secolare, nel 1669, il medico inglese Richard Lower (contava John Locke tra i suoi colleghi e re Carlo II tra i suoi pazienti), come riportato nel suo lavoro seminale Tractatus de Corde, aveva notato per la prima volta la disposizione a spirale dei muscoli cardiaci; nei tre secoli successivi, medici e scienziati hanno elaborato una comprensione più completa della struttura del cuore, ma lo scopo di quei muscoli a spirale in modo frustrante è rimasto difficile da studiare.
Edward Sallin, ex presidente del Dipartimento di Biomatematica presso la Birmingham Medical School dell’Università dell’Alabama, nel 1969 sostenne che l’allineamento elicoidale del cuore è fondamentale per ottenere grandi frazioni di eiezione, la percentuale di quanto sangue il ventricolo pompa ad ogni contrazione.
John Zimmerman, borsista post-dottorato presso SEAS e co-primo autore della ricerca, ha detto:
«Il nostro obiettivo era costruire un modello in cui potessimo testare l’ipotesi di Edward Sallin e studiare l’importanza relativa della struttura elicoidale del cuore».
I ricercatori SEAS per testare la teoria di Edward Sallin hanno utilizzato il sistema FRJS per controllare l’allineamento delle fibre filate su cui potevano far crescere le cellule cardiache. Il primo passaggio di FRJS funziona come una macchina per zucchero filato: una soluzione di polimero liquido viene caricata in un serbatoio ed espulsa attraverso una minuscola apertura dalla forza centrifuga mentre il dispositivo gira, quando la soluzione lascia il serbatoio, il solvente evapora e i polimeri si solidificano per formare fibre, quindi, un flusso d’aria focalizzato controlla l’orientamento delle fibre mentre vengono depositate su un collettore. Il team ha scoperto che inclinando e ruotando il collettore, le fibre nel flusso si sarebbero allineate e attorcigliate attorno al collettore mentre ruotava, imitando la struttura elicoidale dei muscoli cardiaci. L’allineamento delle fibre può essere regolato modificando l’angolo del collettore.
Huibin Chang, ha fatto parte del team di ricerca, ha affermato:
«Il cuore umano ha in realtà più strati di muscoli allineati elicoidalmente con diversi angoli di allineamento, con FRJS, possiamo ricreare quelle strutture complesse in un modo davvero preciso, formando strutture ventricolari singole e persino a quattro camere».
FRJS a differenza della stampa 3D, che diventa più lenta man mano che le caratteristiche si riducono, può filare rapidamente fibre su scala di un singolo micron, o circa cinquanta volte più piccole di un singolo capello umano. Ciò è importante quando si tratta di costruire un cuore da zero, l’esempio è il collagene, una proteina della matrice extracellulare nel cuore, che ha anche un diametro di un micron: con questi parametri ci vorrebbero più di 100 anni per stampare in 3D ogni frammento di collagene nel cuore umano, FRJS può farlo in un solo giorno.
I ventricoli dopo la rotazione sono stati seminati con cardiomiociti di ratto o cellule di cardiomiociti derivate da cellule staminali umane. I cardiomiociti sono cellule mononucleate (differentemente dal sincizio del tessuto muscolare scheletrico) grandi e cilindriche, con una lunghezza media di 80 micron ed un diametro medio di circa 15 micron. Entro una settimana, diversi strati sottili di tessuto battente hanno ricoperto l’impalcatura, con le cellule che seguivano l’allineamento delle fibre sottostanti.
I ventricoli battenti imitavano lo stesso movimento di torsione presente nei cuori umani. I ricercatori hanno confrontato la deformazione del ventricolo, la velocità della segnalazione elettrica e la frazione di eiezione tra i ventricoli realizzati con fibre allineate elicoidali e quelli realizzati con fibre allineate circonferenzialmente. È emerso che su ogni fronte, il tessuto allineato elicoidale ha superato il tessuto allineato circonferenzialmente.
Kevin Kit Parker ha affermato:
«Il nostro gruppo dal 2003 ha lavorato per comprendere le relazioni struttura-funzione del cuore e come la malattia compromette patologicamente queste relazioni. In questo caso, siamo tornati ad affrontare un’osservazione mai testata sulla struttura elicoidale dell’architettura laminare del cuore. Fortunatamente, più di mezzo secolo fa il professor Edward Sallin ha pubblicato una previsione teorica, siamo stati in grado di costruire una nuova piattaforma di produzione che ci ha permesso di verificare la sua ipotesi e di affrontare questa secolare domanda».
Il team di ricercatori ha anche dimostrato che il processo può essere scalato fino alle dimensioni di un vero cuore umano e, anche più grande, alle dimensioni di un cuore di balenottera (non hanno seminato i modelli più grandi con cellule poiché ci vorrebbero miliardi di cellule di cardiomiociti).
Il team di ricercatori oltre alla biofabbricazione esplora anche altre applicazioni per la propria piattaforma FRJS, come l’imballaggio alimentare.
L’Ufficio per lo sviluppo tecnologico di Harvard ha protetto la proprietà intellettuale relativa a questo progetto e sta esplorando le opportunità di commercializzazione.
