Ingegneri biomedici della Johns Hopkins, lavorare con i colleghi in Corea, hanno prodotto un chip da laboratorio con scanalature e creste nanoscopiche in grado di far crescere un tessuto cardiaco che assomiglia più da vicino al muscolo cardiaco naturale.

Sorprendentemente, le cellule cardiache coltivate in questo modo hanno utilizzato un "nanosenso" per raccogliere istruzioni per la crescita e la funzione esclusivamente dai modelli fisici sul chip nanostrutturato e non hanno richiesto alcun segnale chimico speciale per guidare lo sviluppo del tessuto in modi distinti. Gli scienziati affermano che questo strumento potrebbe essere utilizzato per progettare nuove terapie o test diagnostici per le malattie cardiache.

Il dispositivo e gli esperimenti che lo utilizzano sono stati descritti nella Early Edition online di questa settimana di Atti dell'Accademia Nazionale delle Scienze . Il lavoro, una collaborazione con la Seoul National University, rappresenta un importante progresso per i ricercatori che coltivano cellule in laboratorio per saperne di più sui disturbi cardiaci e sui possibili rimedi.

"Cellule muscolari cardiache cresciute sulla superficie liscia di una capsula di Petri, ne possederebbe qualcuno, ma mai tutto, delle stesse caratteristiche fisiologiche di un cuore reale in un organismo vivente, " ha detto Andre Levchenko, un professore associato di ingegneria biomedica della Johns Hopkins alla Whiting School of Engineering. "Questo perché le cellule del muscolo cardiaco, i cardiomiociti, prendono spunto dalla matrice extracellulare altamente strutturata, o ECM, che è un'impalcatura fatta di fibre che supporta tutta la crescita dei tessuti nei mammiferi. Questi segnali della ECM influenzano la struttura e la funzione dei tessuti, ma quando fai crescere le cellule su una superficie liscia in laboratorio, i segnali fisici possono mancare. Per affrontare questo, abbiamo sviluppato un chip la cui superficie e morbidezza imitano l'ECM. Il risultato è stato un tessuto cardiaco cresciuto in laboratorio che assomiglia di più a quello reale".

Levchenko ha aggiunto che quando lui e i suoi colleghi hanno esaminato il tessuto cardiaco naturale prelevato da un animale vivente, "abbiamo subito notato che lo strato cellulare più vicino alla matrice extracellulare cresceva in modo molto allungato e lineare. Le cellule si orientano con la direzione delle fibre nella matrice, che suggerisce che le fibre ECM diano istruzioni strutturali o funzionali al miocardio, un termine generale per il muscolo cardiaco." Queste istruzioni, Levchenko ha detto, sono consegnati su scala nanometrica, attività alla scala di un miliardesimo di metro e un millesimo della larghezza di un capello umano.

Levchenko e i suoi colleghi coreani, lavorando con Deok-Ho Kim, uno studente di dottorato in ingegneria biomedica del laboratorio di Levchenko e l'autore principale dell'articolo PNAS, sviluppato una superficie idrogel bidimensionale simulando la rigidità, dimensione e forma delle fibre presenti in una rete ECM naturale. Questa superficie biocompatibile realizzata in glicole polietilenico atossico mostra una serie di lunghe creste che ricordano il modello piegato del cartone ondulato. L'idrogel increspato si trova su un vetrino delle dimensioni di una moneta da un dollaro USA. Il team ha realizzato una varietà di chip con larghezze di cresta che vanno da 150 a 800 nanometri, larghezze delle scanalature comprese tra 50 e 800 nanometri, e altezze delle creste variabili da 200 a 500 nanometri. Ciò ha permesso ai ricercatori di controllare la struttura della superficie su più di cinque ordini di grandezza di lunghezza.

"Siamo stati lieti di scoprire che in soli due giorni, le cellule si sono allungate e sono cresciute lungo le creste sulla superficie del vetrino, " ha detto Kim. Inoltre, i ricercatori hanno trovato un migliore accoppiamento tra cellule adiacenti, una disposizione che assomigliava più da vicino all'architettura che si trova negli strati naturali del tessuto muscolare cardiaco.

Cellule cresciute su lisci, idrogel non modellati, però, è rimasto più piccolo e meno organizzato con un accoppiamento cellula-cellula più scarso tra gli strati.

"È stato molto emozionante osservare le cellule cardiache ingegnerizzate che si comportano su un minuscolo chip in due dimensioni come farebbero nel cuore nativo in tre dimensioni, " ha detto Kim.

Collaborando con Leslie Tung, un professore di ingegneria biomedica presso la Johns Hopkins School of Medicine, i ricercatori hanno scoperto che, dopo qualche giorno in più di crescita, le cellule sulla superficie nanostrutturata hanno iniziato a condurre onde elettriche e a contrarsi fortemente in una direzione specifica, come farebbe il muscolo cardiaco intatto.

"Forse più sorprendentemente, queste funzioni tissutali e la struttura del tessuto cardiaco ingegnerizzato potrebbero essere controllate semplicemente alterando le proprietà su scala nanometrica dello scaffold. Questo ci mostra che le cellule del cuore hanno un "nanosenso" acuto, '", ha detto Levchenko.

"Questa sensibilità su scala nanometrica era dovuta alla capacità delle cellule di deformarsi attaccandosi alle fessure della superficie nanostrutturata e probabilmente non alla presenza di alcun segnale molecolare, " Levchenko ha detto. "Questi risultati mostrano che l'ECM funge da potente spunto per la crescita cellulare, nonché una struttura portante, e che può controllare separatamente la funzione delle cellule cardiache su scala nanometrica in diverse parti di questo organo vitale. Imitando questa proprietà ECM, potremmo iniziare a progettare tessuti cardiaci meglio ingegnerizzati".

Guardando avanti, Levchenko prevede che superfici ingegneristiche con caratteristiche nanometriche simili in tre dimensioni, invece che solo due, potrebbe fornire un modo ancora più potente per controllare la struttura e la funzione del tessuto cardiaco in coltura.