El papel es el núcleo de un dispositivo experimental desarrollado por bioingenieros de la Universidad de Rice para estudiar las enfermedades cardíacas.

Están utilizando estructuras basadas en papel que imitan la naturaleza estratificada de las válvulas aórticas, la dura, tejidos flexibles que mantienen la sangre fluyendo a través del corazón en una sola dirección. Los dispositivos permiten a los ingenieros estudiar en detalle cómo las enfermedades calcificantes ralentizan o detienen el funcionamiento de los corazones.

El trabajo del equipo de la Escuela de Ingeniería de Brown, detallado en Acta Biomaterialia , muestra que el colágeno 1, una proteína natural y un componente de la matriz extracelular fibrosa de las válvulas, parece tener una fuerte asociación con la calcificación cuando se encuentra fuera de su dominio habitual. Las válvulas endurecidas por depósitos de calcio son menos flexibles y pierden su capacidad para sellar las cámaras del corazón.

"Cuando los tejidos producen un exceso de colágeno tipo 1, se llama fibrosis, "dijo la bioingeniera de Rice Jane Grande-Allen, quien dirigió el estudio con la estudiante graduada de Rice y autora principal, Madeline Monroe. "La fibrosis puede ocurrir en muchos tipos de tejidos y acompaña a la enfermedad de la válvula aórtica calcificada (CAVD). Eso no significa necesariamente que el colágeno siempre cause CAVD, pero definitivamente impulsó el fenotipo ligado a la calcificación en las células que cultivamos ".

El colágeno generalmente permanece en la capa de fibrosa de la válvula, una de tres en cada una de las tres valvas que forman una válvula aórtica. (Las otras capas son la esponjosa y la ventricular). Los investigadores prepararon capas de papel para soportar las células de las válvulas cardíacas incrustadas en colágeno o hialuronano. y descubrió que cuando las proteínas de colágeno 1 están presentes en múltiples capas, las células se comportan de una manera que finalmente conduciría a lesiones mineralizadas.

Grande-Allen dijo que las capas de matriz extracelular en una válvula aórtica sana están bien definidas. "En un estado más patológico, el colágeno no está localizado, "Ella dijo." Está extendido. Nuestros modelos sugieren que el colágeno no localizado podría contribuir a la sobreexpresión celular de estos factores calcificantes ".

Los investigadores de Rice quieren saber cómo sucede eso. Necesitaban una forma de ver cómo reaccionarían las células de la válvula a la propagación del colágeno a través de un tejido tridimensional, y el papel de filtro común resultó ser un sustituto adecuado. Lo que hicieron no parece una válvula cardíaca pero actúa efectivamente como uno para mostrar cómo las células proliferan a través de las capas de una válvula.

La enfermedad de las válvulas cardíacas todavía no se puede tratar con una pastilla, dijo Grande-Allen, quien ha estudiado la valvulopatía durante gran parte de su carrera e informó sobre cultivos en papel en 2015. Los remedios actuales a menudo implican el reemplazo de la válvula con tejido de un donante humano o animal o una válvula mecánica. Pero la capacidad de modelar y manipular con precisión todas las capas de una válvula podría ayudar a descifrar las transacciones químicas en las enfermedades cardíacas. Ella dijo que eventualmente puede conducir a medicamentos no invasivos.

"El primer paso ha sido desarrollar modelos que imiten la forma en que se comportan las células de las válvulas, "Dijo Grande-Allen." El siguiente paso sería verlos realmente calcificarse. Una vez que esté en la mano, podemos empezar a probar sustancias químicas que bloquearían el proceso de calcificación ".

Monroe, con la coautora y estudiante de Rice Rebecca Nikonowicz y la ayuda temprana del ex alumno Matthew Sapp, se inspiró en los cultivos de papel de filtro de células en geles en pocillos utilizados en la Universidad de Harvard para estudiar la hipoxia en las células de cáncer de pulmón.

El laboratorio de Rice comenzó con soportes de polímero de impresión 3D con matrices de orificios. Estos mantenían en su lugar capas de papel que habían sido impregnadas con un patrón de cera para eliminar la diafonía entre los círculos abiertos del papel de filtro. Luego, los círculos se saturaron con varias combinaciones de colágeno fibroso 1, hialuronano (que normalmente se encuentra en la capa esponjosa) y millones de células cardíacas vivas, y las hojas se presionaron juntas dentro de los soportes.

"Este sistema de modelado nos da un control completo sobre muchas variables diferentes, ", Dijo Monroe." Pudimos crear distintas pilas con diferentes composiciones en función de los componentes que colocamos en cada capa. Teníamos pilas donde todas las capas eran hialuronanas, o todo colágeno, o pilas heterogéneas con ambos tipos de capas.

"Eso nos permitió ver si las células se comportaban de manera diferente cuando había un aumento en la cantidad de capas de colágeno, " ella dijo.

Monroe evaluó el comportamiento de las células a lo largo del tiempo analizando los marcadores de proteínas que expresaban, particularmente alfa actina del músculo liso (aSMA), un factor de transcripción relacionado con Runt-2 (RunX2) y SRY-box 9 (Sox9), todos los cuales son indicadores de CAVD. El uso de un método de tinción y escaneo de alto rendimiento con los grupos de pozos le permitió recopilar rápidamente datos de docenas de estructuras.

Los datos les permiten ver que las células intersticiales valvulares, el tipo de célula de válvula aórtica principal y normalmente estable, se volvió más susceptible a la osteogénesis (endurecimiento) en presencia de más capas que contienen proteína de colágeno.

"El modelo de papel es ingenioso porque nos permite esa versatilidad y flexibilidad, ", Dijo Grande-Allen." No conozco otro método que nos permita unir diferentes capas fácilmente, cultivar las combinaciones juntas y luego desarmarlas y analizarlas tan rápidamente ".