Paper é o cerne de um dispositivo experimental desenvolvido por bioengenheiros da Rice University para estudar doenças cardíacas.

Eles estão usando estruturas baseadas em papel que imitam a natureza em camadas das válvulas aórticas, o difícil, tecidos flexíveis que mantêm o sangue fluindo pelo coração em apenas uma direção. Os dispositivos permitem que os engenheiros estudem em detalhes como as doenças calcificantes desaceleram ou impedem o funcionamento do coração.

O trabalho da equipe da Brown School of Engineering, detalhado em Acta Biomaterialia , mostra que o colágeno 1, uma proteína natural e um componente da matriz extracelular fibrosa das válvulas, parece ter uma forte associação com calcificação quando é encontrada fora de seu domínio usual. As válvulas endurecidas por depósitos de cálcio são menos flexíveis e perdem sua capacidade de selar as câmaras do coração.

"Quando os tecidos produzem muito colágeno tipo 1 em excesso, é chamado de fibrose, "disse a bioengenheira da Rice, Jane Grande-Allen, que dirigiu o estudo com a aluna de pós-graduação de Rice e autora principal, Madeline Monroe. "A fibrose pode acontecer em muitos tipos de tecidos e acompanha a valvopatia aórtica calcificada (CAVD). Isso não significa necessariamente que o colágeno sempre causará CAVD, mas definitivamente impulsionou o fenótipo ligado à calcificação nas células que cultivamos. "

O colágeno geralmente permanece na camada de fibrose da válvula, um de três em cada um dos três folhetos que constituem uma válvula aórtica. (As outras camadas são esponjosa e ventricular.) Os pesquisadores prepararam camadas de papel para apoiar as células das válvulas cardíacas incorporadas em colágeno ou hialuronano, e descobriu que quando as proteínas do colágeno 1 estão presentes em várias camadas, as células se comportam de uma maneira que acabaria por levar a lesões mineralizadas.

Grande-Allen disse que as camadas de matriz extracelular em uma válvula aórtica saudável são bem definidas. "Em um estado mais patológico, o colágeno não está localizado, "ela disse." Está espalhado. Nossos modelos sugerem que o colágeno não localizado pode contribuir para a superexpressão celular desses fatores calcários. "

Os pesquisadores do Rice querem saber como isso acontece. Eles precisavam de uma maneira de ver como as células das válvulas reagiriam ao colágeno se espalhando por um tecido tridimensional, e o papel de filtro comum revelou-se um substituto adequado. O que eles fizeram não se parece com uma válvula cardíaca, mas age efetivamente como um para mostrar como as células proliferam através das camadas de uma válvula.

A doença das válvulas cardíacas ainda não pode ser tratada com pílulas, disse Grande-Allen, que estudou doenças valvares durante grande parte de sua carreira e relatou culturas baseadas em papel em 2015. Os remédios atuais geralmente envolvem a substituição da válvula por tecido de doador humano ou animal ou uma válvula mecânica. Mas a capacidade de modelar e manipular com precisão todas as camadas de uma válvula pode ajudar a decifrar as transações químicas nas doenças cardíacas. Ela disse que isso pode eventualmente levar a medicamentos não invasivos.

"O primeiro passo foi desenvolver modelos que imitem a forma como as células das válvulas se comportam, "Grande-Allen disse." O próximo passo seria vê-los realmente calcificar. Uma vez que isso esteja em mãos, podemos começar a testar produtos químicos que bloqueariam o processo de calcificação. "

Monroe, com a coautora Rebecca Nikonowicz, estudante de graduação da Rice, e a ajuda do ex-aluno Matthew Sapp, inspirou-se nas culturas de papel de filtro de células em géis em poços usadas na Universidade de Harvard para estudar a hipóxia em células de câncer de pulmão.

O laboratório Rice começou imprimindo em 3D suportes de polímero com matrizes de orifícios. Elas mantinham no lugar camadas de papel que haviam sido impregnadas com um padrão de cera para eliminar a interferência entre os círculos abertos do papel de filtro. Os círculos foram então saturados com várias combinações de colágeno fibroso 1, hialuronano (normalmente encontrado na camada esponjosa) e milhões de células vivas do coração, e as folhas foram pressionadas juntas dentro dos suportes.

"Este sistema de modelagem nos dá controle total sobre muitas variáveis ​​diferentes, "Monroe disse." Fomos capazes de criar pilhas distintas com composições diferentes com base nos componentes que colocamos em cada camada. Tínhamos pilhas em que todas as camadas eram todas de hialuronano, ou todo colágeno, ou pilhas heterogêneas com os dois tipos de camadas.

"Isso permite ver se as células se comportaram de maneira diferente quando houve um aumento no número de camadas de colágeno, " ela disse.

Monroe avaliou o comportamento das células ao longo do tempo, analisando os marcadores de proteína que expressaram, particularmente alfa actina de músculo liso (aSMA), um fator de transcrição relacionado a Runt-2 (RunX2) e SRY-box 9 (Sox9), todos os quais são indicadores para CAVD. Usar um método de varredura e coloração de alto rendimento com os grupos de poços permitiu que ela reunisse rapidamente dados de dezenas de estruturas.

Os dados permitem que eles vejam que as células intersticiais valvares, o tipo de célula da válvula aórtica principal e normalmente estável, tornou-se mais suscetível à osteogênese - endurecimento - na presença de mais camadas contendo proteína de colágeno.

"O modelo de papel é engenhoso por nos permitir essa versatilidade e flexibilidade, "Grande-Allen disse." Não conheço outro método que nos permita juntar diferentes camadas facilmente, cultive as combinações e depois desmonte-as e analise-as tão rapidamente. "