Creating Biomedical Technologies to Improve Health

Parche cardíaco – el latido continúa

Wednesday, May 31, 2006

La estimulación eléctrica de células cardíacas crecidas en un andamio desencadenó el ensamblaje funcional de tejido cardíaco contrayéndose sincrónicamente (tinción verde para la cadena pesada de miosina beta, azul para el núcleo de las células). En tan sólo 8 días in vitro, la estimulación eléctrica indujo el alineamiento y acoplamiento celular, aumentó el tamaño de las constracciones sincrónicas del tejido creado, y resultó en un nivel más alto de organización estructural. Cortesia: Dr. Gordana Vunjak-Novakovic, Universidad de Columbia, en la Universidad de Tufts y el Instituto Tecnológico de Massachusetts

La estimulación eléctrica de células cardíacas crecidas en un andamio desencadenó el ensamblaje funcional de tejido cardíaco contrayéndose sincrónicamente (tinción verde para la cadena pesada de miosina beta, azul para el núcleo de las células). En tan sólo 8 días in vitro, la estimulación eléctrica indujo el alineamiento y acoplamiento celular, aumentó el tamaño de las constracciones sincrónicas del tejido creado, y resultó en un nivel más alto de organización estructural. Cortesia: Dr. Gordana Vunjak-Novakovic, Universidad de Columbia, en la Universidad de Tufts y el Instituto Tecnológico de Massachusetts

Las cardiopatías son la primera causa de muerte en el mundo desarrollado, con frecuencia se manifiestan primero como un infarto de miocardio - el bloqueo repentino de una arteria coronaria. Sin suministro de sangre, la porción del corazón alimentada por la arteria empieza a morir en unos cuantos minutoss. Aunque la zona afectada puede ser pequeña al principio, el resto del corazón trabaja más duro para compensar la pérdida de poder bombeante. Con el tiempo, todo el órgano puede dilatarse, empezar a fallar y eventualmente, ser necesario cambiarlo. Pero la necesidad de trasplantes de corazón supera al número de donantes disponibles.

Para tratar este problema, los investigadores están desarrollando un "parche cardíaco" – una pieza funcional de tejido cardíaco crecido en laboratorio que sustituiría el tejido dañado del paciente antes de que todo el órgano se enfermara.

Preparando un parche

Aunque todavía está lejano su uso clínico, los investigadores ya han logrado varios hitos. "Hemos crecido in vitro tejido cardíaco que se parece en muchos aspectos al tejido original, tiene una composición, estructura y propiedades contráctiles similares", dice Gordana Vunjak-Novakovic, profesora de Ingeniería Biomédica en la Universidad de Columbia y directora asociada del Centro de Recursos de Ingeniería Tisular financiado por el Institudo Nacional de Imágenes Biomédicas y Bioingeniería, en la Universidad de Tufts y el Instituto Tecnológico de Massachusetts. El parche cardíaco está actualmente en proceso de expansión, de células animales a células humanas y se están realizando las primeras pruebas en modelos animales.

Los parches cardíacos se crecen en un biorreactor, un dispositivo de laboratorio que recrea muchas de las condiciones que las células cardíacas experimentan durante su desarrollo. El cultivo del tejido actual se realiza en una pequeña cámara que contiene un complejo brebaje de células individuales, nutrientes y factores de crecimiento. La cámara está conectada a dispositivos externos que controlan factores como la temperatura y el contenido de oxígeno del medio de cultivo circulante.

La creación del entorno adecuado posee desafíos únicos debido a la naturaleza del tejido cardíaco: A diferencia de otros tejidos, que pueden contener grandes cantidades de una matriz de soporte, el tejido cardíaco consiste casi todo en células cardíacas. Puesto que el corazón late continuamente, las células cardíacas exigen una oxigenación intensa y están alimentadas por una red mucho más densa de capilares que la que se encuentra en otros tejidos. Para bombear con eficacia, las células del corazón deben responder sincrónicamente a estímulos eléctricos de las células del marcapasos del corazón. Por lo tanto, un biorreactor para diseñar un parche cardíaco funcional necesita ser un dispositivo realmente "biomimético", diseñado para suministrar oxígeno y estimular las células por los mismos mecanismos que se encuentran en el tejido original.

Creación de tejido

Un elemento importante para crear estas condiciones en tejido producido artificialmente es una plantilla tridimensional tipo andamio a la cual se adhiere cada una de las células cardíacas y posteriormente se fusionan para formar el tejido actual. El andamio contiene una red densa de canales que ayudan a llevar el medio de cultivo que contiene oxígeno a las células del biorreactor.

Fabricado con materiales como colágeno y proteínas de seda o a partir de un polímero de glicerol y ácido sebásico muy elástico conocido como "goma biológica", los andamios están diseñados para degradarse gradualmente a medida que cada una de las células se va fusionando. "Una vez que el tejido cardíaco comienza a ensamblarse, tratamos de alinear los canales del andamio con las células endoteliales - células de los vasos sanguíneos - para obtener algo que se asemeje al músculo cardíaco normal vascularizado", dice Vunjak-Novakovic. Un marcapasos clínico entrena a las células cardíacas para que respondan a la estimulación eléctrica mientras están en el biorreactor.

Bajo estas condiciones una pieza de tejido miniatura puede cultivarse relativamente rápido. "Ponemos las células en un andamio, en un medio oxigenado, las estimulamos eléctricamente, y ocho días después están bellamente organizadas", dice Vunjak-Novakovic.

Desafíos a sobrepasar

Esta prometedora investigación enfrenta varios desafíos. Aunque es posible producir tejido de centímetros de longitud, los parches son todavía relativamente delgados, aproximadamente 1-2 mm. Para uso clínico, se necesitaría una pieza más gruesa de tejido, 5 mm o más. Además, los investigadores deben generar una red vascular en el tejido cultivado e integrarla con la propia red vascular del tejido del receptor. El parche trasplantado tiene que responder a la estimulación eléctrica del corazón del receptor mediante contracciones sincrónicas.

Descubrir una buena fuente de células humanas para crecer parches cardíacos es quizás uno de los mayores desafíos que enfrentan los investigadores. En los estudios clínicos con animales, se utilizan células cardíacas de ratas neonatas. Una posible fuente de células para cultivar un parche cardíaco son las células madre del propio paciente – la médula ósea y los aspirados de grasa se consideran posibles fuentes de dichas células madre. Estas células evitarían dos problemas asociados con el trasplante de tejido de un donante: el rechazo por parte del sistema inmune del paciente y la posibilidad de una enfermedad infecciosa. Hasta ahora, los investigadores no han podido crecer células cardíacas de estas fuentes de células madres pero Vunjak-Novakovic tiene esperanzas: "Una vez que se identifique una fuente mejor, podremos cambiar fácilmente a la mejor célula".

Gran parte del apoyo para esta investigación viene del Instituto Nacional de Imágenes Biomédicas y Bioingeniería a través del Centro de Recursos de Ingeniería Tisular y del Insituto Nacional del Corazón, Pulmón y Sangre.

Referencias

Vunjak-Novakovic G, Freshney I., Culture of cells for tissue engineering, J. Wiley, 2006.

Kaplan DL, Moon RT, Vunjak-Novakovic G. It takes a village to grow a tissue. Nature Biotechnology 23: 1237-1239, 2005.

Radisic M, Park H, Shing H, Consi T, Schoen FJ, Langer R, Freed LE, Vunjak-Novakovic G. Functional assembly of engineered myocardium by electrical stimulation of cardiac myocytes cultured on scaffolds. Proceedings of the National Academy of Sciences 101: 18129-18134, 2004.

Vea una película del parche cardíaco en funcionamiento: http://www.pnas.org/content/vol0/issue2004/images/data/0407817101/DC1/07817Movie3.mpg

Dr. Gordana Vunjak-Novakovic