Esta ilustración muestra un ventrículo cardíaco impreso en 3D diseñado con tinta con infusión de fibra. Crédito: MARES de Harvard
Por Kat J. McAlpine / Comunicaciones SEAS
Durante la última década, los avances en la impresión 3D han abierto nuevas posibilidades para que los bioingenieros construyan estructuras y tejidos cardíacos. Sus objetivos incluyen crear mejores in vitro plataformas para descubrir nuevas terapias para las enfermedades cardíacas, la principal causa de muerte en los Estados Unidos, responsable de aproximadamente una de cada cinco muertes a nivel nacional, y el uso de tejidos cardíacos impresos en 3D para evaluar qué tratamientos podrían funcionar mejor en pacientes individuales. Un objetivo más lejano es fabricar tejidos implantables que puedan curar o reemplazar estructuras defectuosas o enfermas dentro del corazón de un paciente.
En un artículo publicado en Materiales de la naturalezainvestigadores de Escuela de Ingeniería y Ciencias Aplicadas John A. Paulson de Harvard (SEAS) y el Instituto Wyss de Ingeniería de Inspiración Biológica de la Universidad de Harvard informan sobre el desarrollo de una nueva tinta de hidrogel con fibras de gelatina que permite la impresión 3D de un ventrículo cardíaco funcional que imita los latidos de un corazón humano. Descubrieron que la tinta de gel con infusión de fibra (FIG) permite que las células del músculo cardíaco impresas en forma de ventrículo se alineen y latan en coordinación como la cámara del corazón humano.
“La gente ha estado tratando de replicar las estructuras y funciones de los órganos para probar la seguridad y eficacia de los medicamentos como una forma de predecir lo que podría suceder en el entorno clínico”, cube Suji Choi, investigador asociado de SEAS y primer autor del artículo. Pero hasta ahora, las técnicas de impresión 3D por sí solas no han podido lograr una alineación fisiológicamente relevante de los cardiomiocitos, las células responsables de transmitir señales eléctricas de manera coordinada para contraer el músculo cardíaco.
“Comenzamos este proyecto para abordar algunas de las deficiencias en la impresión 3D de tejidos biológicos”.
–Kevin “Equipment” Parker
La innovación radica en la adición de fibras dentro de una tinta imprimible. “La tinta FIG es capaz de fluir a través de la boquilla de impresión pero, una vez impresa la estructura, mantiene su forma 3D”, cube Choi. “Debido a esas propiedades, descubrí que es posible imprimir una estructura related a un ventrículo y otras formas complejas en 3D sin utilizar materiales de soporte o andamios adicionales”.
Este vídeo muestra el latido espontáneo de un músculo cardíaco impreso en 3D. Crédito: Harvard SEAS.
Para crear la tinta FIG, Choi aprovechó un técnica de hilado por chorro rotativo desarrollado en el laboratorio de Kevin “Equipment” ParkerDoctorado. que fabrica materiales de microfibra utilizando un enfoque related a la forma en que se hila el algodón de azúcar. El investigador postdoctoral y Wyss Lumineer Luke MacQueen, coautor del artículo, propuso la thought de que las fibras creadas mediante la técnica de hilado por chorro rotatorio podrían agregarse a una tinta e imprimirse en 3D. Parker es miembro asociado de la facultad de Wyss y profesor de bioingeniería y física aplicada de la familia Tarr en SEAS.
“Cuando Luke desarrolló este concepto, la visión period ampliar la gama de escalas espaciales que se podían imprimir con impresoras 3D eliminando el fondo de los límites inferiores, llevándolo a la escala nanométrica”, cube Parker. “La ventaja de producir fibras con hilado por chorro rotatorio en lugar de electrohilado” (un método más convencional para generar fibras ultrafinas) “es que podemos utilizar proteínas que de otro modo serían degradadas por los campos eléctricos en el electrohilado”.
Utilizando el chorro giratorio para hilar fibras de gelatina, Choi produjo una lámina de materials con una apariencia related al algodón. A continuación, utilizó sonificación (ondas sonoras) para romper esa lámina en fibras de entre 80 y 100 micrómetros de largo y entre 5 y 10 micrómetros de diámetro. Luego, dispersó esas fibras en una tinta de hidrogel.
“Este concepto es ampliamente aplicable: podemos utilizar nuestra técnica de hilado de fibras para producir fibras de manera confiable en las longitudes y formas que queramos”.
–Suji Choi
El aspecto más difícil fue solucionar el problema de la proporción deseada entre fibras e hidrogel en la tinta para mantener la alineación de las fibras y la integridad normal de la estructura impresa en 3D.
Mientras Choi imprimió estructuras 2D y 3D usando tinta FIG, los cardiomiocitos se alinearon en conjunto con la dirección de las fibras dentro de la tinta. Al controlar la dirección de impresión, Choi podría controlar cómo se alinearían las células del músculo cardíaco.
El modelo de ventrículo 3D diseñado mediante ingeniería tisular. Crédito: Harvard MARES
Cuando aplicó estimulación eléctrica a estructuras impresas en 3D hechas con tinta FIG, descubrió que desencadenaba una onda coordinada de contracciones en alineación con la dirección de esas fibras. En una estructura con forma de ventrículo, “fue muy emocionante ver cómo la cámara bombeaba de manera related a cómo bombean los ventrículos del corazón actual”, cube Choi.
Mientras experimentaba con más direcciones de impresión y fórmulas de tinta, descubrió que podía generar contracciones aún más fuertes dentro de formas parecidas a ventrículos.
“En comparación con el corazón actual, nuestro modelo de ventrículo está simplificado y miniaturizado”, afirma. El equipo ahora está trabajando para construir tejidos cardíacos más realistas con paredes musculares más gruesas que puedan bombear líquido con más fuerza. A pesar de no ser tan fuerte como el tejido cardíaco actual, el ventrículo impreso en 3D podría bombear entre 5 y 20 veces más volumen de líquido que las cámaras cardíacas impresas en 3D anteriores.
El equipo cube que la técnica también se puede utilizar para construir válvulas cardíacas, corazones en miniatura de dos cámaras y más.
“Las FIG son sólo una herramienta que hemos desarrollado para la fabricación aditiva”, afirma Parker. “Tenemos otros métodos en desarrollo a medida que continuamos nuestra búsqueda para construir tejidos humanos para terapias regenerativas. El objetivo no es estar impulsado por herramientas: somos independientes de las herramientas en nuestra búsqueda de una mejor manera de desarrollar la biología”.
Los autores adicionales incluyen a Keel Yong Lee, Sean L. Kim, Huibin Chang, John F. Zimmerman, Qianru Jin, Michael M. Peters, Herdeline Ann M. Ardoña, Xujie Liu, Ann-Caroline Heiler, Rudy Gabardi, Collin Richardson, William T. . Pu y Andreas Bausch.
Este trabajo fue patrocinado por SEAS; la Fundación Nacional de Ciencias a través del Centro de Ingeniería y Ciencia de Investigación de Materiales de la Universidad de Harvard (DMR-1420570, DMR-2011754); los Institutos Nacionales de Salud y el Centro Nacional para el Avance de las Ciencias Traslacionales (UH3HL141798, 225 UG3TR003279); el Centro de Sistemas a Nanoescala (CNS) de la Universidad de Harvard, miembro de la Pink Nacional de Infraestructura Coordinada de Nanotecnología (NNCI) que cuenta con el apoyo de la Fundación Nacional de Ciencias (ECCS-2025158, S10OD023519); y las becas posdoctorales Irving S. Sigal de la American Chemical Society.
Instituto Wyss
utiliza los principios de diseño de la naturaleza para desarrollar materiales y dispositivos bioinspirados que transformarán la medicina y crearán un mundo más sostenible.
Wyss Institute utiliza los principios de diseño de la naturaleza para desarrollar materiales y dispositivos bioinspirados que transformarán la medicina y crearán un mundo más sostenible.
