Una squadra interdisciplinare di ingegneri, biologi e genetisti della Boston University ha sviluppato un cuore in miniatura da una combinazione di parti nanoingegnerizzate e tessuto cardiaco umano, per riuscire a studiare con più efficacia le malattie cardiache e riuscire a trovare trattamenti terapeutici efficaci.
I tentativi che hanno preceduto la nuova tecnologia, come collegare cuori di cadavere a macchine per farli pompare di nuovo o attaccare tessuti cardiaci cresciuti in laboratorio a molle per vederli espandersi e contrarsi hanno manifestato dei difetti: i cuori rianimati possono battere solo per poche ore; le molle non possono replicare le forze che agiscono sul muscolo reale.
La replica in miniatura di una camera cardiaca verrà utilizzata dai ricercatori per
Osservare in modo più dettagliato come funziona l’organo, consentendo loro di monitorare come cresce il cuore nell’embrione, studiare l’impatto delle diverse patologie e testare la potenziale efficacia e gli effetti collaterali dei nuovi trattamenti, il tutto a rischio zero di pazienti e svolto solo in laboratorio.
Il cuore in miniatura, soprannominato miniPUMP e ufficialmente noto come pompa microfluidica unidirezionale abilitata per la precisione cardiaca miniaturizzata, è la dimostrazione che la tecnologia potrebbe aprire la strada alla creazione di versioni di laboratorio di altri organi, dai polmoni ai reni.
I risultati dello studio sono stati pubblicati sulla rivista scientifica Science Advances.
Cuore in miniatura: qualche dettaglio sulla nuova tecnologia
“Possiamo studiare la progressione della malattia in un modo che non è stato possibile prima“, ha dichiarato Alice White, professoressa della BU College of Engineering e cattedra di ingegneria meccanica. “Abbiamo scelto di lavorare sul tessuto cardiaco a causa della sua meccanica particolarmente complicata, ma abbiamo dimostrato che, quando prendi la nanotecnologia e la associ all’ingegneria dei tessuti, c’è il potenziale per replicarlo per più organi”.
Secondo i ricercatori, il cuore in miniatura potrebbe eventualmente accelerare il i protocolli per lo sviluppo di terapie farmacologiche , rendendo il tutto più veloce ed economico. Invece di spendere milioni, e forse decenni, risorse ed energie, i ricercatori potrebbero utilizzare il cuore in miniatura per riuscire a prevedere con una certa efficacia il successo o il fallimento di un’eventuale terapia.
Il progetto fa parte di CELL-MET, centro di ricerca ingegneristica multi-istituzionale della National Science Foundation sui metamateriali cellulari guidato da BU. L’obiettivo del centro è rigenerare il tessuto cardiaco umano malato, costruendo una comunità di scienziati ed esperti del settore per testare nuovi farmaci e creare cerotti impiantabili artificiali per i cuori danneggiati da infarti o altre patologie cardiache.
“Le malattie cardiache sono la prima causa di morte negli Stati Uniti e toccano tutti noi“, ha affermato White, che è stato capo scienziato presso Alcatel-Lucent Bell Labs prima di entrare a far parte della BU nel 2013. “Oggi non esiste una cura per un cuore attacco. La visione di CELL-MET è di cambiare questo”.
Il cuore di un essere umano può manifestare diversi problemi. Quando pompa il sangue correttamente, è grazie alle due camere superiori e due inferiori del muscolo cardiaco che fanno in modo che il flusso sanguigno irrori tutto l’organismo. Ma quando sopraggiunge una patologia, le arterie possono restringersi o bloccarsi, le valvole possono perdere o non funzionare correttamente, il tessuto cardiaco può assottigliarsi o ispessirsi, oppure i segnali elettrici possono andare in cortocircuito, causando troppi o troppo pochi battiti. Incontrollate, le malattie cardiache possono causare diversi sintomi, come affanno, affaticamento, gonfiore e dolore al petto e, per diversi, purtroppo, il decesso.
“Il cuore sperimenta forze complesse mentre pompa il sangue attraverso i nostri corpi”, ha spiegato Christopher Chen, illustre professore di ingegneria biomedica William F. Warren della BU. “E mentre sappiamo che il muscolo cardiaco cambia in peggio in risposta a forze anormali, ad esempio a causa della pressione alta o di malattie delle valvole, diventa difficile imitare e studiare questi processi patologici. Questo è il motivo per cui abbiamo voluto costruire un cuore in miniatura”.
In soli 3 centimetri quadrati, il miniPUMP non è molto più grande di un francobollo. Costruito per agire come un ventricolo cardiaco umano, o una camera muscolare inferiore, i suoi componenti su misura sono montati su un sottile pezzo di plastica stampata in 3D. Ci sono valvole acriliche in miniatura, che si aprono e si chiudono per controllare il flusso del liquido – acqua, in questo caso, piuttosto che sangue – e piccoli tubi, che incanalano quel fluido proprio come le arterie e le vene. E a battere in un angolo le cellule muscolari che fanno contrarre il tessuto cardiaco, i cardiomiociti, realizzati con la tecnologia delle cellule staminali.
“Sono generati utilizzando cellule staminali pluripotenti indotte“, ha specificato Christos Michas (ENG’21), un ricercatore post-dottorato che ha progettato e guidato lo sviluppo del cuore in miniatura come parte del suo dottorato di ricerca.
Per poter dare vita al cardiomiocita, i ricercatori hanno sfruttato una cellula espiantata da un adulto (potrebbe essere una cellula della pelle, del sangue o qualsiasi altra cellula) per poi riprogrammarla in una cellula staminale simile a un embrione e successivamente trasformarla in una cellula del cuore. Oltre a dare al dispositivo un cuore, Michas afferma che i cardiomiociti danno anche al sistema un enorme potenziale nell’aiutare i pionieri delle medicine personalizzate. I ricercatori potrebbero, ad esempio, posizionare un tessuto malato nel dispositivo, quindi testare un farmaco su quel tessuto e osservare come viene influenzata la sua capacità di pompaggio.
Secondo Michas, ciò potrebbe consentire agli scienziati di valutare le possibilità di successo di un nuovo farmaco per le malattie cardiache molto prima di iniziare gli studi clinici. Molti farmaci candidati falliscono a causa dei loro effetti collaterali negativi.
“Gli elementi strutturali sono così fini che le cose che normalmente sarebbero rigide sono flessibili“, ha affermato White. “Per analogia, pensa alla fibra ottica: una finestra di vetro è molto rigida, ma puoi avvolgere una fibra ottica di vetro attorno al dito. L’acrilico può essere molto rigido, ma alla scala coinvolta nel cuore in miniatura, l’impalcatura in acrilico è in grado di essere compresso dai cardiomiociti battenti”.
Chen ha dichiarato che la scala della pompa mostra “che con architetture di stampa più fini, potresti essere in grado di creare organizzazioni di celle più complesse di quanto pensassimo fosse possibile prima“. Al momento, quando i ricercatori cercano di creare cellule, dice, siano cellule del cuore o cellule del fegato, sono tutte disorganizzate: “per ottenere una struttura, devi incrociare le dita e sperare che le cellule creino qualcosa”. Ciò significa che l’impalcatura tissutale sperimentata nel cuore in miniatura ha grandi potenziali implicazioni oltre il cuore, ponendo le basi per altri organi su un chip, dai reni ai polmoni.
È una vasta esperienza che ha beneficiato non solo del progetto, ma anche di Michas, studente universitario di ingegneria elettrica e informatica, ha detto che “non aveva mai visto cellule in vita mia prima di iniziare questo progetto”. Ora si sta preparando ad aprire una nuova posizione presso la biotecnologia con sede a Seattle Curi Bio, un’azienda che combina la tecnologia delle cellule staminali, i biosistemi tissutali.
Il prossimo obiettivo immediato per il team del cuore in miniatura? Affinare la tecnologia. gli scienziati hanno anche in programma di testare modi per produrre il dispositivo senza comprometterne l’affidabilità.
