Creating Biomedical Technologies to Improve Health

Un Parche Nanodiseñado para el Corazón Dañado

Friday, July 30, 2010

El ataque cardíaco (infarto de miocardio) es el asesino número uno en los Estados Unidos. Las personas que tienen la suerte de sobrevivir a un ataque al corazón se quedan con un músculo cardíaco debilitado debido a la muerte del tejido que se suministró con la sangre a través de la vena bloqueada. El tejido cicatrizante que se forma en el sitio de la obstrucción impide la comunicación eléctrica y química entre las células del corazón, aumentando el riesgo de muerte por arritmias. Para mejorar la expectativa de los sobrevivientes de un ataque cardíaco, un equipo de investigadores de la Universidad Johns Hopkins dirigido por Andre Levchenko, Profesor Asociado de Ingeniería Biomédica, está trabajando en un parche inspirado en procesos biológicos con métodos de nanoingeniería para reparar el área dañada del corazón.

 

La Textura Correcta

Cuando las células del corazón crecen en una superficie con textura con surcos y arrugas (c, d), sus contracciones están alineadas, en contraste con las células cultivadas en una superficie plana (a, b). Levchenko observó que la textura de la superficie dirige la alineación y orientación de las células. Vea una películade células del corazón que se contraen, cultivadas en una superficie con textura, en comparación con las cultivadas en una superficie plana.

When heart cells grow on a surface textured with grooves and ridges (c, d), their contractions are aligned, in contrast with cells grown on a flat surface (a, b). Levchenko noted that surface texture directs alignment and orientation of the cells. Watch a movie of contracting heart cells grown on a textured surface compared to those grown on a flat surface.

El primer paso en este esfuerzo es cultivar exitosamente las células del corazón in vitro en la configuración correcta. El corazón funciona como una bomba eficiente porque sus células obreras – los cardiomiocitos – se contraen al unísono. El prerrequisito para la contracción sincronizada es la orientación y alineación precisa de las células para permitir el flujo de impulsos eléctricos en una dirección. Los cardiomiocitos cultivados en una superficie de plástico o de vidrio de un plato de Petri asumen orientaciones al azar, y sus contracciones no están alineadas entre sí.

Al observar los músculos del corazón de ratas con un microscopio electrónico, Levchenko y sus colegas notaron que capas de cardiomiocitos estaban bien alineadas con las fibras de la matriz extracelular (MEC) subyacente, un andamio que soporta el desarrollo del tejido. Basados en esta observación, supusieron que el crecimiento desordenado de las células del corazón en un plato plano se debió a la falta de una MEC alineada, y específicamente a su estructura ondulada.

Ellos midieron el tamaño y el espaciamiento entre las fibras en la MEC del corazón y fabricaron superficies similares usando una técnica llamada moldeo capilar asistido por UV. Los andamios con diferentes tamaños de arrugas y surcos (50–800 nm) fueron diseñados para imitar las variaciones a nanoescala de la textura en el miocardio natural. Los andamios fueron hechos de hidrogel de polietilenglicol (PEG), un material biocompatible que permite el intercambio de nutrientes, oxígeno y productos de desecho.

Como se preveía, las células del corazón de ratas recién nacidas, cultivadas en los andamios nanofabricados, se alinearon con las arrugas y surcos. El análisis por microscopio electrónico de barrido de la interfaz entre la capa de células y el nanoandamio reveló que las células abrazaban a las arrugas al penetrar los surcos entre ellas. Sin embargo, lo que fue completamente inesperado fue que las diferencias de tamaño de las arrugas del andamio afectaron la forma, orientación, alineación, y comunicación de estas células con las células vecinas y la propagación de los impulsos eléctricos en maneras muy diferentes, lo que sugiere que las células pueden percibir diferencias en la nano-textura de la matriz circundante.

Al principio los investigadores sospecharon que las células tenían nanosensores especiales que detectaban la textura, pero "más adelante descubrieron que la capacidad de las células para detectar diferencias en texturas era probablemente debido a las variaciones en el grado de penetración entre las arrugas", aclara Levchenko. Cuando los surcos son demasiado estrechos para ser penetrados por las células, la interacción entre las células y el andamio subyacente disminuye. Este es uno de los primeros estudios que muestra que las características nanométricas de una superficie son un importante impulso de la conducta celular, un hallazgo potencialmente importante para el campo de ingeniería de tejidos.

 

Los Próximos Pasos – Remendar un Corazón Herido

El microscopio electrónico de barrido (SEM por sus siglas en inglés) revela que el músculo del corazón contiene capas paralelas de células alargadas, que están alineadas con las fibras de la matriz extracelular subyacente.

Scanning electron microscope (SEM) reveals that the heart muscle contains parallel layers of elongated cells, which are aligned with the fibers of the underlying extracellular matrix.

Levchenko espera que el andamio nanodiseñado sirva algún día como una plataforma para hacer crecer parches de células de corazón para trasplantes. El método podría potencialmente mejorar las técnicas existentes de trasplante de células, que consisten en la inyección de células con una jeringa. Mientras que muchos métodos similares han sido intentados, los mejores estudios han arrojado células dispersas por todo el corazón que no pueden integrarse en un músculo funcional que late junto con en el movimiento necesario de bombeo. Los parches de tejidos formados por Levchenko podrían proporcionar una mejora sustancial a esta situación.

Se deben superar varios obstáculos para hacer que el parche sea considerado para el uso terapéutico. "Los tejidos de reemplazo necesitan imitar lo más cerca posible la función de los tejidos hospedadores en los que se están injertando. La función eléctrica de las células debe coincidir con la del miocardio hospedador para evitar crear perturbaciones eléctricas que podrían causar arritmias", afirma el colaborador de Levchenko, Leslie Tung, Profesor de Ingeniería Biomédica en la Universidad Johns Hopkins. Cultivar células en el andamio de tipo MEC las prepararía mejor para la integración con el corazón hospedador. Sin embargo, las versiones actuales del andamio nanodiseñado solo proporcionan señales mecánicas a las células. El recubrimiento del andamio PEG con diversos componentes de la MEC mejoraría la comunicación química entre las células.

El microscopio electrónico de barrido (SEM por sus siglas en inglés) revela que el músculo del corazón contiene capas paralelas de células alargadas, que están alineadas con las fibras de la matriz extracelular subyacente.

Nanoscale grooves and ridges of the PEG scaffold mimic the natural surface texture of the extracellular matrix (top). Cells penetrate better into wider grooves compared to narrower ones (bottom).

Otros problemas incluyen la identificación de la fuente de las células y el poder asegurar su suministro de sangre. El equipo está considerando al menos dos fuentes de células del corazón – las células madre adultas del corazón y las células madre de la médula ósea. Ambos tipos de células se pueden activar para convertirse en cardiomiocitos.

En un estudio reciente [no publicado en el momento de esta escritura], el equipo de investigación de Levchenko implantó un parche nanofabricado que contenía un andamio de PEG con células madre del corazón en un modelo animal de ataque cardiaco. A las 3 semanas de la implantación, las células madre comenzaron a multiplicarse y transformarse en células de corazón. "Nos gustaría ver si la maduración de las células madre podría verse afectada por la geometría de la matriz subyacente", dice Deok-Ho Kim, Profesor Investigador Asistente de Ingeniería Biomédica en la Universidad Johns Hopkins y principal investigador del estudio. Una IRM podría mostrar el tamaño y la forma del corazón después del trasplante del parche. "Usando imágenes de ultrasonido, es posible que podamos para ver si las células implantadas laten en sincronía con el tejido nativo del corazón", explica Kim. Él también está tratando de agregar compuestos que harían que el andamio sea biodegradable en el cuerpo.

Tung indica que los andamios nanodiseñados "pueden ser componentes importantes para incluir en cualquier tipo de tejido cardíaco sintético". Los distintos tipos de células y capas múltiples podrían combinarse con un andamio para recrear tejidos complejos. Levchenko ha iniciado conversaciones preliminares con empresas que estén interesadas en la reparación del corazón". Esperamos que la idea de parchear el corazón con superficies de nanoestructuras se pueda convertir finalmente en una realidad, pero tendremos que encontrar el mejor modelo", dice él.

Este trabajo está apoyado en parte por el Instituto Nacional de Bioingeniería e Imágenes Biomédicas.

 


Kim DH, Lipke EA, Kim P, Cheong R, Thompson S, Delannoy M, Suh KY, Tung L, Levchenko A. Nanoscale cues regulate the structure and function of macroscopic cardiac tissue constructs. Proc Natl Acad Sci USA. 2010 Jan 12;107(2):565–70.

Kim DH, Wong PK, Park J, Levchenko A, Sun Y. Microengineered platforms for cell mechanobiology. Annu Rev Biomed Eng. 2009;11:203–33.