Un team di ingegneri biomedici ha sviluppato un muscolo cardiaco umano artificiale completamente funzionante che può essere utilizzato come una patch per riparare il muscolo cardiaco morto.
Gli ingegneri biomedici della Duke University hanno sviluppato la patch per essere utilizzata in pazienti umani che hanno precedentemente subito un infarto.
“In questo momento, praticamente tutte le terapie esistenti sono volte a ridurre i sintomi dal danno che è già stato fatto al cuore, ma nessun approccio è stato in grado di sostituire il muscolo che è perso, perché una volta che è morto, non cresce indietro da solo,” Ilia Shadrin, uno studente di dottorato di ingegneria biomedica alla Duke University e primo autore sullo studio, ha detto in un comunicato stampa. “Questo è un modo che potremmo sostituire il muscolo perso con tessuto fatto fuori dal corpo.”
Dopo un attacco di cuore, il cuore non è in grado di rigenerarsi naturalmente. Il tessuto cicatriziale sostituisce il muscolo morto e i segnali elettrici non sono più trasmessi a contratto, il che significa che un battito cardiaco non sarà così forte o regolare come prima dell’attacco di cuore.
Quando il cuore non è in grado di rigenerarsi, si verifica l’insufficienza cardiaca. Circa 5,7 milioni di americani hanno insufficienza cardiaca, secondo il CDC. Quasi la metà delle persone con diagnosi di insufficienza cardiaca morirà entro cinque anni.
I ricercatori hanno testato l’uso di cellule staminali dal midollo osseo, dal sangue o dal cuore e l’impianto di queste nell’area danneggiata per ricostituire il muscolo danneggiato. Tuttavia, meno dell’1% delle cellule iniettate sono in grado di sopravvivere e rimanere nel cuore e una quantità ancora più piccola si trasforma in cellule del muscolo cardiaco.
I cerotti cardiaci impiantati sui muscoli cardiaci morti sono in grado di rimanere attivi per un periodo di tempo più lungo, dando al cuore la forza di cui ha bisogno per i segnali elettrici per muoversi attraverso di esso. I cerotti sono anche in grado di secernere enzimi e fattori di crescita che aiuta i tessuti danneggiati che non sono morti.
Il cerotto del cuore sviluppato dalla Duke University è il primo cerotto artificiale del muscolo cardiaco che è sia abbastanza grande per coprire l’area danneggiata e forte ed elettricamente attivo abbastanza per essere un’opzione nella riparazione delle cellule del muscolo cardiaco morto.
“La creazione di singole cellule muscolari cardiache è abbastanza comune, ma le persone si sono concentrate sulla crescita di tessuti in miniatura per lo sviluppo di farmaci”, ha detto Nenad Bursac, professore di ingegneria biomedica alla Duke University. “
Le cellule sono cresciute da chiamate staminali pluripotenti umane che possono trasformarsi in qualsiasi tipo di cellula del corpo. Le cellule del cuore possono essere coltivate da cardiomiociti, fibroblasti e cellule endoteliali e muscolari lisce. La giusta combinazione di cellule, strutture di supporto, fattori di crescita, sostanze nutritive e condizioni di coltura può creare l’ambiente giusto per far crescere grandi patch di tessuto cardiaco umano completamente funzionali, un processo su cui il team di ricerca ha lavorato per anni.
“Si scopre che dondolare i campioni per bagnarli e spruzzarli per migliorare la consegna dei nutrienti è estremamente importante”, ha detto Shadrin. “Abbiamo ottenuto risultati da tre a cinque volte migliori con le colture a dondolo rispetto ai nostri campioni statici.”
I risultati sono stati migliori di altre patch da 1 cmq e 4 cmq sviluppate in precedenza. Dopo aver reso le patch più grandi a 16 cm quadrati e da cinque a otto cellule di spessore, il muscolo cardiaco ha dimostrato di essere completamente funzionale con proprietà elettriche, meccaniche e strutturali che imitavano un cuore normale e sano.
“Questo è estremamente difficile da fare, come più grande è il tessuto che viene coltivato, più difficile è mantenere le stesse proprietà in tutto”, ha detto Bursac. “Altrettanto impegnativo è stato far maturare i tessuti fino alla forza dell’adulto su una scala temporale veloce di cinque settimane, mentre si ottengono proprietà che tipicamente richiedono anni di normale sviluppo umano.”
I cerotti cardiaci sono stati testati in cuori di topi e ratti e sono stati in grado di sopravvivere, diventare vascolarizzati e rimanere funzionali dopo essere stati impiantati. I ricercatori suggeriscono che affinché il cerotto cardiaco sia una valida sostituzione del muscolo cardiaco morto nei pazienti umani, avrebbe bisogno di essere più spesso di quello che hanno sviluppato. Le patch devono essere vascolarizzate in modo che le cellule possono ottenere abbastanza ossigeno e nutrienti per essere abbastanza spessa per funzionare ha muscolo cardiaco nel cuore umano.
“Un’integrazione completa come quella è davvero importante, non solo per migliorare il pompaggio meccanico del cuore, ma per garantire la diffusione uniforme delle onde elettriche e ridurre al minimo il rischio di aritmie”, ha detto Shadrin.
“Stiamo lavorando attivamente su questo, come altri, ma per ora, siamo entusiasti di avere la parte ‘dimensioni conta’ capito,” Bursac detto.
Sharon e Bursac hanno in programma di integrare le patch nei cuori di maiale con l’aiuto di ricercatori dell’Università dell’Alabama, mentre i ricercatori dell’Università del Wisconsin-Madison lavoreranno sullo sviluppo di cellule staminali migliorate per creare i principali tipi di cellule che compongono le patch di cuore per ridurre al minimo la risposta immunitaria negli impianti.
La ricerca è stata pubblicata sulla rivista Nature Communications ed è stata finanziata dal National Institutes of Health.