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Cultivar órgãos humanos funcionais fora do corpo é um “santo graal” há muito procurado da medicina de transplante de órgãos que continua ilusório. Novas pesquisas do Wyss Institute for Biologically Inspired Engineering de Harvard e da John A. Paulson School of Engineering and Applied Science (SEAS) trazem essa busca um grande passo mais perto da conclusão.
Uma equipe de cientistas criou um novo método para imprimir em 3D redes vasculares que consistem em vasos sanguíneos interconectados que possuem uma “casca” distinta de células musculares lisas e células endoteliais ao redor de um “núcleo” oco através do qual o fluido pode fluir, embutido dentro de um tecido cardíaco humano. Essa arquitetura vascular imita de perto a dos vasos sanguíneos naturais e representa um progresso significativo em direção à capacidade de fabricar órgãos humanos implantáveis. A conquista é publicada em Materiais avançados.
“Em trabalhos anteriores, desenvolvemos um novo método de bioimpressão 3D, conhecido como “escrita sacrificial em tecido funcional” (SWIFT), para padronizar canais ocos dentro de uma matriz celular viva. Aqui, com base neste método, introduzimos o SWIFT coaxial (co-SWIFT) que recapitula a arquitetura multicamadas encontrada em vasos sanguíneos nativos, tornando mais fácil formar um endotélio interconectado e mais robusto para suportar a pressão interna do fluxo sanguíneo”, disse o primeiro autor Paul Stankey, um aluno de pós-graduação na SEAS no laboratório da coautora sênior e membro do corpo docente do Wyss Core Jennifer Lewis, Sc.D.
A principal inovação desenvolvida pela equipe foi um bico core-shell exclusivo com dois canais de fluido controláveis independentemente para as “tintas” que compõem os vasos impressos: uma tinta shell à base de colágeno e uma tinta core à base de gelatina. A câmara interna do bico se estende um pouco além da câmara shell para que o bico possa perfurar completamente um vaso previamente impresso para criar redes de ramificação interconectadas para oxigenação suficiente de tecidos e órgãos humanos através da perfusão. O tamanho dos vasos pode ser variado durante a impressão, alterando-se a velocidade de impressão ou as taxas de fluxo de tinta.
Para confirmar que o novo método co-SWIFT funcionou, a equipe primeiro imprimiu seus vasos multicamadas em uma matriz de hidrogel granular transparente. Em seguida, eles imprimiram os vasos em uma matriz recentemente criada chamada uPOROS, composta de um material poroso à base de colágeno que replica a estrutura densa e fibrosa do tecido muscular vivo. Eles conseguiram imprimir com sucesso redes vasculares ramificadas em ambas as matrizes livres de células. Depois que esses vasos biomiméticos foram impressos, a matriz foi aquecida, o que fez com que o colágeno na matriz e a tinta da casca se reticulassem, e a tinta do núcleo de gelatina sacrificial derretesse, permitindo sua fácil remoção e resultando em uma vasculatura aberta e perfusível.
Passando para materiais ainda mais relevantes biologicamente, a equipe repetiu o processo de impressão usando uma tinta de concha que foi infundida com células musculares lisas (SMCs), que compõem a camada externa dos vasos sanguíneos humanos. Após derreter a tinta do núcleo de gelatina, eles então perfundiram células endoteliais (ECs), que formam a camada interna dos vasos sanguíneos humanos, em sua vasculatura. Após sete dias de perfusão, tanto as SMCs quanto as ECs estavam vivas e funcionando como paredes dos vasos — houve uma redução de três vezes na permeabilidade dos vasos em comparação com aqueles sem ECs.
Finalmente, eles estavam prontos para testar seu método dentro de tecido humano vivo. Eles construíram centenas de milhares de blocos de construção de órgãos cardíacos (OBBs) — pequenas esferas de células cardíacas humanas pulsantes, que são comprimidas em uma matriz celular densa. Em seguida, usando co-SWIFT, eles imprimiram uma rede de vasos biomiméticos no tecido cardíaco. Finalmente, eles removeram a tinta do núcleo sacrificial e semearam a superfície interna de seus vasos carregados de SMC com ECs através da perfusão e avaliou seu desempenho.
Esses vasos biomiméticos impressos não apenas exibiram a estrutura característica de dupla camada dos vasos sanguíneos humanos, mas após cinco dias de perfusão com um fluido que imita o sangue, os OBBs cardíacos começaram a bater sincronizadamente — indicativo de tecido cardíaco saudável e funcional. Os tecidos também responderam a medicamentos cardíacos comuns — o isoproterenol fez com que batessem mais rápido, e a blebbistatina os impediu de bater. A equipe até mesmo imprimiu em 3D um modelo da vasculatura ramificada da artéria coronária esquerda de um paciente real em OBBs, demonstrando seu potencial para medicina personalizada.
“Conseguimos imprimir com sucesso em 3D um modelo da vasculatura da artéria coronária esquerda com base em dados de um paciente real, o que demonstra a utilidade potencial do co-SWIFT para criar órgãos humanos vascularizados específicos para cada paciente”, disse Lewis, que também é o Hansjörg Wyss Professor de Engenharia de Inspiração Biológica no SEAS.
Em trabalhos futuros, a equipe de Lewis planeja gerar redes automontadas de capilares e integrá-las às suas redes de vasos sanguíneos impressas em 3D para replicar mais completamente a estrutura dos vasos sanguíneos humanos em microescala e melhorar a função dos tecidos cultivados em laboratório.
“Dizer que a engenharia de tecidos humanos vivos funcionais em laboratório é difícil é um eufemismo. Estou orgulhoso da determinação e criatividade que esta equipe demonstrou ao provar que eles poderiam de fato construir melhores vasos sanguíneos dentro de tecidos cardíacos humanos vivos e pulsantes. Estou ansioso pelo sucesso contínuo deles em sua busca para um dia implantar tecido cultivado em laboratório em pacientes”, disse o diretor fundador da Wyss, Donald Ingber, MD, Ph.D. Ingber também é o Judah Folkman Professor de Biologia Vascular no HMS e no Hospital Infantil de Boston e Hansjörg Wyss Professor de Engenharia de Inspiração Biológica no SEAS.
Autores adicionais do artigo incluem Katharina Kroll, Alexander Ainscough, Daniel Reynolds, Alexander Elamine, Ben Fichtenkort e Sebastien Uzel. Este trabalho foi apoiado pelo Vannevar Bush Faculty Fellowship Program patrocinado pelo Basic Research Office do Assistant Secretary of Defense for Research and Engineering através do Office of Naval Research Grant N00014-21-1-2958 e pela National Science Foundation através do CELL-MET ERC (#EEC-1647837).
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