Ingenieros biomédicos de Johns Hopkins, trabajar con colegas en Corea, han producido un chip de laboratorio con ranuras y crestas nanoscópicas capaces de hacer crecer tejido cardíaco que se asemeja más al músculo cardíaco natural.

Asombrosamente, Las células cardíacas cultivadas de esta manera utilizaron un "nanosentido" para recopilar instrucciones para el crecimiento y la función únicamente a partir de los patrones físicos en el chip nanotexturizado y no requirieron ninguna señal química especial para dirigir el desarrollo del tejido de distintas formas. Los científicos dicen que esta herramienta podría usarse para diseñar nuevas terapias o pruebas de diagnóstico para enfermedades cardíacas.

El dispositivo y los experimentos que lo utilizan se describieron en la edición inicial en línea de esta semana de procedimientos de la Academia Nacional de Ciencias . La obra, una colaboración con la Universidad Nacional de Seúl, representa un avance importante para que los investigadores que cultivan células en el laboratorio aprendan más sobre los trastornos cardíacos y los posibles remedios.

"Células del músculo cardíaco que crecen en la superficie lisa de una placa de Petri, poseería algunos, pero nunca todos, de las mismas características fisiológicas de un corazón real en un organismo vivo, "dijo Andre Levchenko, profesor asociado de ingeniería biomédica de Johns Hopkins en la Whiting School of Engineering. "Eso se debe a que las células del músculo cardíaco, los cardiomiocitos, toman señales de la matriz extracelular altamente estructurada, o ECM, que es un andamio hecho de fibras que soporta todo el crecimiento de tejido en los mamíferos. Estas señales del ECM influyen en la estructura y función del tejido, pero cuando cultivas células en una superficie lisa en el laboratorio, las señales físicas pueden faltar. Para abordar esto, Desarrollamos un chip cuya superficie y suavidad imitan al ECM. El resultado fue tejido cardíaco cultivado en laboratorio que se parece más al real ".

Levchenko agregó que cuando él y sus colegas examinaron el tejido cardíaco natural extraído de un animal vivo, "Inmediatamente nos dimos cuenta de que la capa de células más cercana a la matriz extracelular crecía de forma muy alargada y lineal. Las células se orientan con la dirección de las fibras en la matriz, lo que sugiere que las fibras ECM dan instrucciones estructurales o funcionales al miocardio, un término general para el músculo cardíaco ". Estas instrucciones, Levchenko dijo:se entregan a nanoescala, actividad en la escala de una mil millonésima parte de un metro y una milésima del ancho de un cabello humano.

Levchenko y sus colegas coreanos, trabajando con Deok-Ho Kim, un estudiante de doctorado en ingeniería biomédica del laboratorio de Levchenko y el autor principal del artículo de PNAS, desarrolló una superficie de hidrogel bidimensional que simula la rigidez, tamaño y forma de las fibras que se encuentran a lo largo de una red ECM natural. Esta superficie respetuosa con el medio ambiente hecha de polietilenglicol no tóxico muestra una serie de largas crestas que se asemejan al patrón doblado del cartón corrugado. El hidrogel estriado se asienta sobre un portaobjetos de vidrio del tamaño de una moneda de un dólar estadounidense. El equipo fabricó una variedad de chips con anchos de cresta que van desde 150 a 800 nanómetros, anchos de ranura que oscilan entre 50 y 800 nanómetros, y alturas de crestas que varían de 200 a 500 nanómetros. Esto permitió a los investigadores controlar la textura de la superficie en más de cinco órdenes de magnitud de longitud.

"Nos complació descubrir que en solo dos días, las células se alargaron y crecieron a lo largo de las crestas de la superficie del portaobjetos, "Dijo Kim. Además, los investigadores encontraron un acoplamiento mejorado entre células adyacentes, una disposición que se parecía más a la arquitectura que se encuentra en las capas naturales del tejido del músculo cardíaco.

Células cultivadas en liso, hidrogeles sin patrón, sin embargo, permaneció más pequeño y menos organizado con un acoplamiento de célula a célula más pobre entre capas.

"Fue muy emocionante observar que las células cardíacas diseñadas se comportan en un pequeño chip en dos dimensiones como lo harían en el corazón nativo en tres dimensiones, "Dijo Kim.

Colaborando con Leslie Tung, profesor de ingeniería biomédica en la Escuela de Medicina Johns Hopkins, los investigadores encontraron que, después de unos días más de crecimiento, Las células de la superficie con nanopatrones comenzaron a conducir ondas eléctricas y a contraerse fuertemente en una dirección específica, como lo haría el músculo cardíaco intacto.

"Quizás lo más sorprendente, estas funciones del tejido y la estructura del tejido cardíaco diseñado podrían controlarse simplemente alterando las propiedades a nanoescala del andamio. Eso nos muestra que las células del corazón tienen un 'nanosentido agudo, '", Dijo Levchenko.

"Esta sensibilidad a nanoescala se debió a la capacidad de las células para deformarse al adherirse a las grietas en la superficie nanotexturizada y probablemente no debido a la presencia de ninguna señal molecular". ", Dijo Levchenko." Estos resultados muestran que el ECM sirve como una señal poderosa para el crecimiento celular, así como una estructura de soporte, y que puede controlar la función de las células cardíacas a nanoescala por separado en diferentes partes de este órgano vital. Al imitar esta propiedad de ECM, podríamos empezar a diseñar tejido cardíaco mejor diseñado ".

Mirando hacia el futuro, Levchenko anticipa que las superficies de ingeniería con características nanoescalares similares en tres dimensiones, en lugar de solo dos, podría proporcionar una forma aún más potente de controlar la estructura y función del tejido cardíaco cultivado.