Un team di ricercatori del MIT e del Children's Hospital di Boston ha costruito cerotti cardiaci tempestati di minuscoli fili d'oro che potrebbero essere usati per creare pezzi di tessuto le cui cellule battono tutte a tempo, imitando la dinamica del muscolo cardiaco naturale. Lo sviluppo potrebbe un giorno aiutare le persone che hanno subito attacchi di cuore.

Lo studio, segnalato questa settimana in Nanotecnologia della natura , promette di migliorare sui cerotti cardiaci esistenti, che hanno difficoltà a raggiungere il livello di conducibilità necessario per garantire un regolare, "battito" continuo su un grande pezzo di tessuto.

“Il cuore è un macchinario elettricamente piuttosto sofisticato, "dice Daniel Kohane, un professore della divisione di scienze e tecnologie della salute di Harvard-MIT (HST) e autore senior dell'articolo. “È importante che le cellule battano insieme, o il tessuto non funzionerà correttamente.

Il nuovo approccio unico utilizza nanofili d'oro sparsi tra le cellule cardiache mentre vengono coltivate in vitro, una tecnica che “migliora notevolmente le prestazioni del patch cardiaco, "dice Kohane. I ricercatori ritengono che la tecnologia possa eventualmente portare a cerotti impiantabili per sostituire il tessuto danneggiato in un infarto.

I co-primi autori dello studio sono il postdoc del MIT Brian Timko e l'ex postdoc del MIT Tal Dvir, ora all'Università di Tel Aviv in Israele; altri autori sono i loro colleghi di HST, Children's Hospital Boston e Dipartimento di Ingegneria Chimica del MIT, compreso Robert Langer, il professore dell'Istituto David H. Koch.

Ka-thump, ka-thump

Per costruire nuovo tessuto, gli ingegneri biologici usano tipicamente impalcature in miniatura simili a spugne porose per organizzare le cellule in forme funzionali man mano che crescono. Tradizionalmente, però, questi scaffold sono stati realizzati con materiali con scarsa conduttività elettrica - e per le cellule cardiache, che si affidano a segnali elettrici per coordinare la loro contrazione, questo è un grosso problema.

“Nel caso dei miociti cardiaci in particolare, hai bisogno di una buona giunzione tra le cellule per ottenere la conduzione del segnale, "dice Timko. Ma l'impalcatura fa da isolante, impedendo ai segnali di viaggiare molto oltre i vicini immediati di una cellula, e rendendo quasi impossibile far battere insieme tutte le cellule del tessuto come un'unità.

Per risolvere il problema, Timko e Dvir hanno sfruttato i loro background complementari:Timko nei nanofili semiconduttori, Dvir è in ingegneria dei tessuti cardiaci - per progettare un nuovissimo materiale per impalcature che consenta il passaggio dei segnali elettrici.

“Abbiamo iniziato a fare brainstorming, e mi è venuto in mente che in realtà è abbastanza facile coltivare nanoconduttori d'oro, che ovviamente sono molto conduttive, "dice Timko. "Puoi farli crescere fino a un paio di micron di lunghezza, che è più che sufficiente per passare attraverso le pareti del patibolo”.

Dai micrometri ai millimetri

Il team ha preso come materiale di base l'alginato, una sostanza organica simile alla gomma che viene spesso utilizzata per le impalcature dei tessuti. Hanno mescolato l'alginato con una soluzione contenente nanofili d'oro per creare un'impalcatura composita con miliardi di minuscole strutture metalliche che lo attraversano.

Quindi, hanno seminato cellule cardiache sul composito oro-alginato, testare la conduttività del tessuto cresciuto sul composito rispetto al tessuto cresciuto su alginato puro. Poiché i segnali sono condotti da ioni calcio all'interno e tra le cellule, i ricercatori hanno potuto verificare fino a che punto viaggiano i segnali osservando la quantità di calcio presente in diverse aree del tessuto.

“Fondamentalmente, il calcio è il modo in cui le cellule cardiache parlano tra loro, quindi abbiamo etichettato le cellule con un indicatore di calcio e abbiamo messo l'impalcatura sotto il microscopio, "dice Timko. Là, hanno osservato un notevole miglioramento tra le cellule cresciute sullo scaffold composito:la gamma di segnali di conduzione è migliorata di circa tre ordini di grandezza.

“In sano, tessuto cardiaco nativo, stai parlando di conduzione su centimetri, "dice Timko. In precedenza, il tessuto cresciuto su alginato puro ha mostrato una conduzione di poche centinaia di micrometri, o millesimi di millimetro. Ma la combinazione di alginato e nanofili d'oro ha raggiunto la conduzione del segnale su una scala di "molti millimetri, "dice Timko.

“È davvero giorno e notte. La performance che hanno gli scaffold con questi nanomateriali è solo molto, molto meglio, "dice Kohane.

“È un lavoro molto bello, "dice Charles Lieber, professore di chimica all'Università di Harvard. “Penso che i risultati siano abbastanza inequivocabili, e molto eccitante - sia nel mostrare fondamentalmente che hanno migliorato la conduttività di questi ponteggi, e poi come questo fa chiaramente la differenza nel migliorare l'attivazione collettiva del tessuto cardiaco”.

I ricercatori hanno in programma di proseguire gli studi in vivo per determinare come funziona il tessuto cresciuto in composito quando impiantato in cuori vivi. A parte le implicazioni per i pazienti con infarto, Kohane aggiunge che l'esperimento riuscito "apre un sacco di porte" per l'ingegneria di altri tipi di tessuti; Lieber è d'accordo.

“Penso che altre persone possano trarre vantaggio da questa idea per altri sistemi:in altre cellule muscolari, altri costrutti vascolari, forse anche nei sistemi neurali, questo è un modo semplice per avere un grande impatto sulla comunicazione collettiva delle cellule, "dice Lieber. "Molte persone salteranno su questo."