La carta è al centro di un dispositivo sperimentale sviluppato dai bioingegneri della Rice University per studiare le malattie cardiache.

Stanno usando strutture a base di carta che imitano la natura a strati delle valvole aortiche, il duro, tessuti flessibili che mantengono il sangue che scorre attraverso il cuore in una sola direzione. I dispositivi consentono agli ingegneri di studiare in dettaglio come le malattie calcificanti rallentano o bloccano il funzionamento dei cuori.

Il lavoro del team della Brown School of Engineering, dettagliato in Acta Biomaterialia , mostra che il collagene 1, una proteina naturale e un componente della matrice extracellulare fibrosa delle valvole, sembra avere una forte associazione con la calcificazione quando si trova al di fuori del suo dominio abituale. Le valvole indurite dai depositi di calcio sono meno flessibili e perdono la capacità di sigillare le camere del cuore.

"Quando i tessuti producono molto collagene di tipo 1 in eccesso, si chiama fibrosi, ", ha detto la bioingegnere di Rice Jane Grande-Allen, che ha diretto lo studio con la studentessa laureata Rice e autrice principale Madeline Monroe. "La fibrosi può verificarsi in molti tipi di tessuti e accompagna la malattia della valvola aortica calcifica (CAVD). Ciò non significa necessariamente che il collagene causerà sempre CAVD, ma ha sicuramente guidato il fenotipo legato alla calcificazione nelle cellule che abbiamo coltivato".

Il collagene generalmente rimane nello strato fibroso della valvola, uno dei tre in ciascuno dei tre lembi che compongono una valvola aortica. (Gli altri strati sono la spongiosa e la ventricolare.) I ricercatori hanno preparato strati di carta per supportare le cellule della valvola cardiaca incorporate nel collagene o nell'acido ialuronico, e ha scoperto che quando le proteine ​​del collagene 1 sono presenti in più strati, le cellule si comportano in un modo che alla fine porterebbe a lesioni mineralizzate.

Grande-Allen ha affermato che gli strati di matrice extracellulare in una valvola aortica sana sono ben definiti. "In uno stato più patologico, il collagene non è localizzato, " ha detto. "È sparso. I nostri modelli suggeriscono che il collagene non localizzato potrebbe contribuire alla sovraespressione cellulare di questi fattori calcifici".

I ricercatori della Rice vogliono sapere come ciò avvenga. Avevano bisogno di un modo per vedere come le cellule della valvola avrebbero reagito alla diffusione del collagene attraverso un tessuto tridimensionale, e la comune carta da filtro si è rivelata un sostituto adatto. Quello che hanno fatto non sembra una valvola cardiaca, ma agisce effettivamente come tale per mostrare come le cellule proliferano attraverso gli strati di una valvola.

La malattia della valvola cardiaca non può ancora essere curata con una pillola, disse Grande Allen, che ha studiato la malattia della valvola per gran parte della sua carriera e ha riferito su colture cartacee nel 2015. I rimedi attuali spesso comportano la sostituzione della valvola con tessuto donatore umano o animale o una valvola meccanica. Ma la capacità di modellare e manipolare accuratamente tutti gli strati di una valvola potrebbe aiutare a decifrare le transazioni chimiche nelle malattie cardiache. Ha detto che alla fine potrebbe portare a farmaci non invasivi.

"Il primo passo è stato quello di sviluppare modelli che imitano il modo in cui si comportano le cellule nelle valvole, "Grande-Allen ha detto. "Il prossimo passo sarebbe vederli effettivamente calcificare. Una volta che è in mano, possiamo iniziare a testare sostanze chimiche che bloccherebbero il processo di calcificazione".

Monroe, con la co-autrice e studentessa Rice, Rebecca Nikonowicz, e il primo aiuto dell'alunno Matthew Sapp, ha preso ispirazione dalle colture di carta filtro cellule-in-gel-in-pozzetti utilizzate all'Università di Harvard per studiare l'ipossia nelle cellule del cancro del polmone.

Il laboratorio Rice è iniziato con supporti polimerici stampati in 3D con matrici di fori. Questi mantenevano in posizione strati di carta che erano stati impregnati con un modello di cera per eliminare la diafonia tra i cerchi aperti della carta da filtro. I cerchi sono stati quindi saturati con varie combinazioni di collagene fibroso 1, acido ialuronico (normalmente presente nello strato spongioso) e milioni di cellule cardiache viventi, e i fogli sono stati pressati insieme all'interno dei supporti.

"Questo sistema di modellazione ci offre il controllo completo su molte variabili diverse, " Monroe ha detto. "Siamo stati in grado di creare pile distinte con composizioni diverse in base a quali componenti abbiamo inserito in ogni strato. Avevamo pile in cui tutti gli strati erano tutti acido ialuronico, o tutto il collagene, o pile eterogenee con entrambi i tipi di strati.

"Questo ci permette di vedere se le cellule si sono comportate diversamente quando c'è stato un aumento del numero di strati di collagene, " lei disse.

Monroe ha valutato il comportamento delle cellule nel tempo analizzando i marcatori proteici che esprimevano, in particolare alfa actina muscolare liscia (aSMA), un fattore di trascrizione relativo a Runt-2 (RunX2) e SRY-box 9 (Sox9), che sono tutti indicatori per CAVD. L'utilizzo di un metodo di colorazione e scansione ad alta produttività con i gruppi di pozzi le ha permesso di raccogliere rapidamente dati da dozzine di strutture.

I dati hanno permesso loro di vedere che le cellule interstiziali valvolari, il tipo di cellula valvolare aortica principale e normalmente stabile, è diventato più suscettibile all'osteogenesi - indurimento - in presenza di più strati contenenti proteine ​​​​di collagene.

"Il modello di carta è ingegnoso per averci permesso quella versatilità e flessibilità, " Grande-Allen ha detto. "Non conosco un altro metodo che ci permetta di mettere insieme facilmente diversi strati, coltivare le combinazioni insieme e poi smontarle e analizzarle così rapidamente."