Un modello di ventricolo cardiaco, realizzato con vere cellule cardiache viventi e progettato a U di T, può essere utilizzato per studiare le malattie cardiache e testare potenziali terapie senza la necessità di un intervento chirurgico invasivo. Credito: Sargol Okhovatian, Università di Toronto

I ricercatori dell’Università di Toronto della Facoltà di scienze applicate e ingegneria hanno sviluppato in laboratorio un modello su piccola scala di un ventricolo cardiaco sinistro umano. La struttura del tessuto bioartificiale è costituita da cellule cardiache viventi e batte abbastanza forte da pompare fluido all’interno di un bioreattore.

Nel cuore umano, il ventricolo sinistro è quello che pompa il sangue appena ossigenato nell’aorta e da lì nel resto del corpo. Il nuovo modello sviluppato in laboratorio potrebbe offrire ai ricercatori un nuovo modo per studiare un’ampia gamma di malattie e condizioni cardiache, nonché per testare potenziali terapie.

“Con il nostro modello, possiamo misurare il volume di espulsione, quanto fluido viene espulso ogni volta che il ventricolo si contrae, nonché la pressione di quel fluido”, afferma Sargol Okhovatian, un Ph.D. candidato all’Istituto di Ingegneria Biomedica. “Entrambi questi erano quasi impossibili da ottenere con i modelli precedenti.”

Okhovatian e Mohammad Hossein Mohammadi, laureati alla U of T con un master in ingegneria chimica e biomedica, sono co-autori principali di un nuovo articolo in Biologia avanzata che descrive il modello che hanno progettato. Il loro team multidisciplinare era guidato da Milica Radisic, professoressa nel dipartimento di ingegneria chimica e chimica applicata e autrice senior dell’articolo.

Tutti e tre i ricercatori sono membri del Center for Research and Applications in Fluidic Technologies (CRAFT). Una partnership unica tra il National Research Council canadese e l’U of T, CRAFT ospita esperti leader a livello mondiale che progettano, costruiscono e testano dispositivi miniaturizzati per controllare il flusso dei fluidi su scala micron, un campo noto come microfluidica.

“Le strutture uniche di cui disponiamo in CRAFT ci consentono di creare sofisticati modelli di organo su chip come questo”, afferma Radisic.

“Con questi modelli, possiamo studiare non solo la funzione cellulare, ma anche la funzione dei tessuti e degli organi, il tutto senza la necessità di interventi chirurgici invasivi o sperimentazioni sugli animali. Possiamo anche usarli per selezionare grandi librerie di molecole candidate alla droga per effetti positivi o negativi. ”

Molte delle sfide che gli ingegneri dei tessuti devono affrontare riguardano la geometria: mentre è facile far crescere cellule umane in due dimensioni, ad esempio in una capsula di Petri piatta, i risultati non assomigliano molto a tessuti o organi reali come apparirebbero nell’uomo corpo.

Per spostarsi in tre dimensioni, Radisic e il suo team utilizzano minuscoli scaffold realizzati con polimeri biocompatibili. Gli scaffold, che sono spesso modellati con scanalature o strutture a maglia, sono seminati con cellule del muscolo cardiaco e lasciati crescere in un mezzo liquido.

Nel tempo, le cellule viventi crescono insieme, formando un tessuto. La forma o il modello sottostante dell’impalcatura incoraggia le cellule in crescita ad allinearsi o allungarsi in una particolare direzione. Gli impulsi elettrici possono anche essere utilizzati per controllare la velocità con cui battono, una specie di palestra per l’allenamento del tessuto cardiaco.

Per il ventricolo sinistro bioartificiale, Okhovatian e Mohammadi hanno creato un’impalcatura a forma di foglio piatto di tre pannelli a rete. Dopo aver seminato l’impalcatura con le cellule e averle lasciate crescere per circa una settimana, i ricercatori hanno arrotolato il foglio attorno a un albero cavo di polimero, che chiamano mandrino.

Il risultato: un tubo composto da tre strati sovrapposti di cellule cardiache che battono all’unisono, pompando fluido dal foro alla fine. Il diametro interno del tubo è di 0,5 millimetri e la sua altezza è di circa 1 millimetro, il che lo rende delle dimensioni del ventricolo in un feto umano a circa la 19a settimana di gestazione.

“Finora, ci sono stati solo una manciata di tentativi per creare un modello veramente 3D di un ventricolo, al contrario di fogli piatti di tessuto cardiaco”, afferma Radisic.

“Praticamente tutti quelli sono stati realizzati con un singolo strato di cellule. Ma un vero cuore ha molti strati e le cellule in ogni strato sono orientate ad angoli diversi. Quando il cuore batte, questi strati non solo si contraggono, ma si torcono, un po’ come si attorciglia un asciugamano per strizzarlo fuori dall’acqua. Ciò consente al cuore di pompare più sangue di quanto farebbe altrimenti”.

Il team è stato in grado di replicare questa disposizione di torsione modellando ciascuno dei tre pannelli con scanalature ad angoli diversi l’uno rispetto all’altro.

In collaborazione con il laboratorio guidato da Ren-Ke Li, professore alla Temerty Faculty of Medicine e scienziato senior presso il Toronto General Research Institute dell’University Health Network, hanno misurato il volume di espulsione e la pressione utilizzando un catetere di conduttanza, lo stesso strumento utilizzato per valutare questi parametri nei pazienti vivi.

Al momento, il modello può produrre solo una piccola frazione, meno del cinque percento, della pressione di espulsione che potrebbe produrre un cuore reale, ma Okhovatian afferma che questo è prevedibile data la scala del modello.

“Il nostro modello ha tre strati, ma un vero cuore ne avrebbe undici”, dice.

“Possiamo aggiungere più strati, ma ciò rende difficile la diffusione dell’ossigeno, quindi le cellule negli strati intermedi iniziano a morire. I veri cuori hanno vascolarizzazione, o vasi sanguigni, per risolvere questo problema, quindi dobbiamo trovare un modo per replicarlo”.

Okhovatian afferma che oltre al problema della vascolarizzazione, il lavoro futuro si concentrerà sull’aumento della densità delle cellule al fine di aumentare il volume e la pressione di espulsione. Vuole anche trovare un modo per rimpicciolire o eventualmente rimuovere l’impalcatura, cosa che un vero cuore non avrebbe.

Sebbene il modello proof-of-concept rappresenti un progresso significativo, c’è ancora molta strada da fare prima che gli organi artificiali completamente funzionanti siano possibili.

“Dobbiamo ricordare che ci sono voluti milioni di anni per far evolvere una struttura complessa come il cuore umano”, afferma Radisic.

“Non saremo in grado di eseguire il reverse engineering dell’intera faccenda in pochi anni, ma con ogni miglioramento incrementale, questi modelli diventano più utili per ricercatori e medici di tutto il mondo”.

“Il sogno di ogni ingegnere tissutale è quello di far crescere organi che siano completamente pronti per essere trapiantati nel corpo umano”, afferma Okhovatian.

“Siamo ancora lontani molti anni da questo, ma sento che questo ventricolo bioartificiale è un importante trampolino di lancio”.