Los ingenieros biomédicos de Johns Hopkins, en colaboración con colegas en Corea, han producido un chip de laboratorio con ranuras y crestas nanoscópicas capaces de hacer crecer tejido cardíaco que se parece más al músculo cardíaco natural. Sorprendentemente, las células del corazón 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 maneras.
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 línea en la Primera edición de las Actas de la Academia Nacional de Ciencias. El trabajo, una colaboración con la Universidad Nacional de Seúl, representa un avance importante para los investigadores que cultivan células en el laboratorio para aprender más sobre los trastornos cardíacos y posibles remedios.
"Las células del músculo cardíaco cultivadas en la superficie lisa de una placa de Petri poseerían algunas, pero nunca todas, de las mismas características fisiológicas de un corazón real en un organismo vivo", dijo Andre Levchenko, asociado de Johns Hopkins. profesor de ingeniería biomédica en la Escuela de Ingeniería de Whiting. "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 respalda todo el crecimiento del tejido en los mamíferos. Estas señales de la ECM influyen en la estructura y función del tejido, pero cuando creces células sobre una superficie lisa en el laboratorio, es posible que f alten las señales físicas. Para abordar esto, desarrollamos un chip cuya superficie y suavidad imitan el ECM. El resultado fue tejido cardíaco cultivado en laboratorio que se asemeja más al real".
Levchenko agregó que cuando él y sus colegas examinaron el tejido cardíaco natural tomado de un animal vivo, "inmediatamente notamos que la capa de células más cercana a la matriz extracelular creció de manera muy alargada y lineal. Las células se orientan con la dirección de las fibras en la matriz, lo que sugiere que las fibras de la MEC dan instrucciones estructurales o funcionales al miocardio, un término general para el músculo cardíaco". Estas instrucciones, dijo Levchenko, se entregan a nanoescala: actividad a la escala de una milmillonésima de metro y mil veces más pequeña que el ancho de un cabello humano.
Levchenko y sus colegas coreanos, en colaboración con Deok-Ho Kim, estudiante de doctorado en ingeniería biomédica del laboratorio de Levchenko y autor principal del artículo de PNAS, desarrollaron una superficie bidimensional de hidrogel que simula la rigidez, el tamaño y la forma de las fibras que se encuentran a lo largo de una red ECM natural. Esta superficie ecológica hecha de polietilenglicol no tóxico muestra una serie de largas crestas que se asemejan al patrón plegado de cartón corrugado. El hidrogel estriado se asienta sobre un portaobjetos de vidrio del tamaño de una moneda de dólar estadounidense. El equipo fabricó una variedad de chips con anchos de cresta que van de 150 a 800 nanómetros, anchos de ranura que van de 50 a 800 nanómetros y alturas de cresta 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 en la superficie del portaobjetos", dijo Kim. Además, los investigadores encontraron un mejor acoplamiento entre las células adyacentes, una disposición que se parecía más a la arquitectura que se encuentra en las capas naturales del tejido del músculo cardíaco. Sin embargo, las células que crecieron en hidrogeles lisos y sin patrón se mantuvieron más pequeñas y menos organizadas, con un peor acoplamiento de célula a célula entre las capas."Fue muy emocionante observar cómo las células del corazón diseñadas se comportan en un pequeño chip en dos dimensiones como lo harían en el corazón nativo en tres dimensiones", dijo Kim.
En colaboración con Leslie Tung, profesora de ingeniería biomédica en la Facultad de Medicina de Johns Hopkins, los investigadores descubrieron que, después de unos días más de crecimiento, las células en la superficie nanodiseñada comenzaron a conducir ondas eléctricas y a contraerse fuertemente en una dirección específica, como lo haría el músculo cardíaco intacto. "Quizás lo más sorprendente es que estas funciones tisulares y la estructura del tejido cardíaco diseñado podrían controlarse simplemente alterando las propiedades a nanoescala del andamio. Eso nos muestra que las células cardíacas 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 a la presencia de ninguna señal molecular", dijo Levchenko."Estos resultados muestran que la ECM sirve como una poderosa señal para el crecimiento celular, así como una estructura de soporte, y que puede controlar la función de las células del corazón en la nanoescala por separado en diferentes partes de este órgano vital. Al imitar esta propiedad de la ECM, podría comenzar a diseñar un mejor tejido cardíaco".
Mirando hacia el futuro, Levchenko anticipa que la ingeniería de superficies con características similares a nanoescala 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.
Además de Kim, Levchenko y Tung, otros autores de este artículo son la becaria postdoctoral Elizabeth A. Lipke, el estudiante de doctorado Raymond Cheong y la estudiante de doctorado Susan Edmonds Thompson, todos del Departamento de Biomedicina de la Facultad de Medicina de Johns Hopkins. Ingeniería; el subdirector Michael Delannoy del Centro de Instalaciones de Microscopios de la Escuela de Medicina Johns Hopkins; y Pilnam Kim y Kahp-Yang Suh de la Universidad Nacional de Seúl.
Tung y Levchenko son profesores afiliados del Instituto Johns Hopkins de NanoBioTecnología. Thompson es miembro del INBT's Integrative Graduate Education and Research Traineeship en nanobiotecnología. Los Institutos Nacionales de Salud y la Asociación Estadounidense del Corazón proporcionaron fondos para esta investigación.
