Engenheiros biomédicos da Johns Hopkins, trabalhando com colegas na Coréia, produziram um chip de laboratório com sulcos e sulcos nanoscópicos capazes de fazer crescer o tecido cardíaco que mais se assemelha ao músculo cardíaco natural.

Surpreendentemente, as células do coração cultivadas dessa forma usaram um "nanosense" para coletar instruções para crescimento e função apenas a partir dos padrões físicos no chip nanotexturado e não exigiram nenhuma pista química especial para orientar o desenvolvimento do tecido de maneiras distintas. Os cientistas dizem que essa ferramenta pode ser usada para criar novas terapias ou testes de diagnóstico para doenças cardíacas.

O dispositivo e os experimentos que o utilizam foram descritos na primeira edição online desta semana do Proceedings of the National Academy of Sciences . O trabalho, uma colaboração com a Universidade Nacional de Seul, representa um avanço importante para os pesquisadores que cultivam células em laboratório para aprender mais sobre distúrbios cardíacos e possíveis remédios.

"Células do músculo cardíaco crescidas na superfície lisa de uma placa de Petri, possuiria alguns, mas nunca todos, das mesmas características fisiológicas de um coração real em um organismo vivo, "disse Andre Levchenko, um professor associado de engenharia biomédica da Johns Hopkins na Whiting School of Engineering. "Isso porque as células do músculo cardíaco - cardiomiócitos - pegam dicas da matriz extracelular altamente estruturada, ou ECM, que é um andaime feito de fibras que suporta todo o crescimento de tecido em mamíferos. Essas dicas do ECM influenciam a estrutura e função do tecido, mas quando você cultiva células em uma superfície lisa no laboratório, os sinais físicos podem estar faltando. Para endereçar isto, desenvolvemos um chip cuja superfície e suavidade imitam o ECM. O resultado foi tecido cardíaco cultivado em laboratório que se assemelha mais ao verdadeiro. "

Levchenko acrescentou que, quando ele e seus colegas examinaram o tecido natural do coração retirado de um animal vivo, "notamos imediatamente que a camada de células mais próxima da matriz extracelular cresceu de forma altamente alongada e linear. As células se orientam com a direção das fibras na matriz, o que sugere que as fibras de ECM fornecem instruções estruturais ou funcionais ao miocárdio, um termo geral para o músculo cardíaco. "Estas instruções, Levchenko disse, são entregues em nanoescala, atividade na escala de um bilionésimo de um metro e um milésimo da largura de um cabelo humano.

Levchenko e seus colegas coreanos, trabalhando com Deok-Ho Kim, um estudante de doutorado em engenharia biomédica do laboratório de Levchenko e o principal autor do artigo PNAS, desenvolveu uma superfície de hidrogel bidimensional simulando a rigidez, tamanho e formato das fibras encontradas em uma rede natural de MEC. Esta superfície bio-amigável feita de polietilenoglicol não tóxico exibe uma série de longas saliências que lembram o padrão dobrado de papelão ondulado. O hidrogel estriado fica sobre uma lâmina de vidro do tamanho de uma moeda de um dólar americano. A equipe fez uma variedade de chips com larguras de crista que variam de 150 a 800 nanômetros, larguras de sulco que variam de 50 a 800 nanômetros, e alturas de cumes variando de 200 a 500 nanômetros. Isso permitiu aos pesquisadores controlar a textura da superfície em mais de cinco ordens de magnitude de comprimento.

"Ficamos satisfeitos em descobrir que em apenas dois dias, as células se tornaram mais longas e cresceram ao longo das cristas na superfície do slide, "Kim disse. Além disso, os pesquisadores descobriram um acoplamento melhorado entre as células adjacentes, um arranjo que se assemelhava mais à arquitetura encontrada nas camadas naturais do tecido do músculo cardíaco.

Células crescidas em superfícies lisas, hidrogéis não padronizados, Contudo, permaneceu menor e menos organizado com acoplamento célula a célula mais pobre entre as camadas.

"Foi muito emocionante observar as células cardíacas projetadas se comportando em um minúsculo chip em duas dimensões como fariam no coração nativo em três dimensões, "Kim disse.

Colaborando com Leslie Tung, professor de engenharia biomédica na Johns Hopkins School of Medicine, os pesquisadores descobriram que, depois de mais alguns dias de crescimento, células na superfície nanopadronizada começaram a conduzir ondas elétricas e se contraírem fortemente em uma direção específica, como o músculo cardíaco intacto faria.

"Talvez o mais surpreendente, essas funções do tecido e a estrutura do tecido cardíaco projetado poderiam ser controladas simplesmente alterando as propriedades em nanoescala do andaime. Isso nos mostra que as células do coração têm um 'nanosense agudo, '"Levchenko disse.

"Essa sensibilidade em nanoescala se deve à capacidade das células de se deformarem aderindo às fendas na superfície nanotexturada e provavelmente não por causa da presença de qualquer sinal molecular, "Levchenko disse." Esses resultados mostram que a ECM serve como uma pista poderosa para o crescimento celular, bem como uma estrutura de suporte, e que pode controlar a função das células cardíacas em nanoescala separadamente em diferentes partes deste órgão vital. Ao imitar esta propriedade ECM, poderíamos começar a projetar um tecido cardíaco com melhor engenharia. "

Olhando para a frente, Levchenko prevê que superfícies de engenharia com características semelhantes em nanoescala em três dimensões, em vez de apenas dois, poderia fornecer uma maneira ainda mais potente de controlar a estrutura e função do tecido cardíaco cultivado.