Il dispositivo miniPUMP è un modello di camera cardiaca microfluidica composta da cardiomiociti ricavati da cellule staminali pluripotenti indotte (iPSC), che replica la funzione di pompaggio del ventricolo umano. Fornisce come risultato un ciclo pressione-volume ventricolare fisiologicamente completo e perciò potrebbe aprire la strada alla modellazione di strumenti più predittivi per la salute umana.
Un nuovo orizzonte per la medicina personalizzata
Lo studio di un organo complesso come il cuore e lo sviluppo di terapie e farmaci in ambito cardiovascolare necessitano di dispositivi organ-on-a-chip ad alta risoluzione nanometrica, che siano in grado di riprodurre la struttura e le funzionalità specifiche del sistema biologico.
Il cuore sperimenta forze complesse mentre pompa il sangue attraverso i nostri corpi. E mentre sappiamo che il muscolo cardiaco cambia in peggio in risposta a forze anormali, ad esempio a causa della pressione alta o di malattie delle valvole, è stato difficile imitare e studiare questi processi fisiologici. Per questo abbiamo voluto costruire una camera cardiaca miniaturizzata.
Christopher Chen, professore di ingegneria biomedica presso il College of Engineering dell’Università di Boston
Secondo il Centers for Disease Control and Prevention, negli Stati Uniti d’America un individuo muore di malattie cardiache ogni 36 secondi. Perciò dispositivi come miniPUMP possono essere d’aiuto per i ricercatori in modo da avere una visione più nitida del funzionamento del cuore. Comprendere come si evolvono le malattie e testare nuove cure è il fine ultimo dell’impiego in laboratorio del sistema integrato.
Una tecnica di fabbricazione promettente
Recente frutto della collaborazione tra ingegneri, biologi e genetisti della Boston University, miniPUMP (i.e., miniaturized precision-enabled unidirectional microfluidic pump) presenta ragguardevoli caratteristiche di innovazione. Prima tra tutte il fatto di essere costituita da componenti stampati con un metodo di fabbricazione ad alta precisione, la scrittura laser diretta a due fotoni (TPDLW) (Figura 2).
La TPDLW si basa sull’assorbimento di due fotoni da parte di un materiale fotosensibile. Modulando opportunamente il laser, avviene una modifica chimica nella regione di fuoco nel campione, cioè la solidificazione del materiale stesso. Il processo consente di creare una struttura 3D con caratteristiche su scala nanometrica, in quanto la luce può essere focalizzata con precisione su un punto piccolissimo del materiale.
È proprio grazie alle sue dimensioni millimetriche che miniPUMP riesce ad espandersi e a contrarsi perpendicolarmente al suo asse, riproducendo perfettamente il comportamento del ventricolo umano.
Con architetture di stampa più fini, potremmo essere in grado di creare organizzazioni di cellule più complesse di quanto pensassimo fosse possibile prima.
Christopher Chen, professore di ingegneria biomedica presso il College of Engineering dell’Università di Boston
Il sistema microfluidico
Con l’obiettivo di emulare il funzionamento dei ventricoli, il team ha progettato un sistema microfluidico (Figura 3) che riproduce:
- una camera miocardica contraente che genera flusso;
- due valvole cardiache;
- un gradiente di pressione tra l’afflusso di sangue venoso e il vaso di uscita arterioso.
La camera miocardica e la coltura cellulare
La camera di tessuto cardiaco è supportata da uno scaffold cavo e cilindrico stampato con tecnica TPDLW (Figura 4). Peculiarità dell’impalcatura è il suo design elicoidale: due serie di sottili eliche concentriche flessibili sono collegate tra loro sul piano trasversale attraverso spessi anelli rigidi. Grazie a questo tipo di design, l’impalcatura non collassa sotto l’azione delle forze contrattili generate dalle cellule iPSC dalle quali è ricavato il tessuto cardiaco che avvolge lo scaffold.
Le iPSC non solo hanno la capacità di autorinnovarsi e differenziarsi, ma possono anche essere generate direttamente dalle cellule della pelle, dai globuli e da altri fonti di cellule somatiche del paziente. Queste vengono riprogrammate in cellule staminali e convertite in cellule cardiache. Tale sistema permette di osservare come il farmaco reagisce direttamente nel paziente, perchè la miniPUMP sfrutta le sue stesse cellule.
Il tessuto cardiaco ingegnerizzato è stato fabbricato con un idrogelo naturale a base fibrinogeno per supportare le cellule staminali mesenchimali (MSC). Il volume di ciascuna sospensione cellulare è stato centrifugato, il supernatante aspirato e le cellule lasciate in ghiaccio fin quando non è stata aggiunta la soluzione idrogelica di matrice extracellulare (ECM) nella miniPUMP.
Le valvole cardiache
I ricercatori hanno collegato la camera elicoidale ad un tubo riempito di acqua, il cui flusso unidirezionale era controllato da una coppia di valvole in grado di aprirsi e chiudersi, anche esse stampate con tecnica TPDLW. Hanno a tal proposito osservato che, mentre le cellule seminate si espandevano e contraevano sincrone, lo scaffold si muoveva con esse, pompando così l’acqua (Figura 5).
Grazie a questo approccio il team ha stimato simultaneamente la portata volumetrica , il volume di espulsione e la pressione della camera cardiaca. Da questa stima sono state ottenute le relative curve, le cui forme indicano una fase di contrazione seguita da una fase di rilassamento prolungata fino alla successiva contrazione ventricolare. Il flusso generato dalla camera cardiaca era bidirezionale, perciò la presenza delle due valvole è stata fondamentale per vincolare il riempimento e l’espulsione al flusso unidirezionale, come osservato in vivo.
Il gradiente di pressione
Il team ha cercato di replicare il gradiente di pressione tra l’apporto venoso (precarico) e il vaso di uscita arterioso (postcarico) del cuore dal quale si ottengono le curve PV ventricolari. Queste ultime riassumono il lavoro meccanico ventricolare di generazione del flusso contro il gradiente di pressione e sono strumenti preziosi per l’identificazione di una disfunzione diastolica e/o sistolica.
Il postcarico è stato implementato con una colonna di vetro e un restrittore di flusso (vedi Figura 3), fabbricato con tecnica TPDLW, che imita la resistenza della circolazione arteriosa. Il liquido espulso dalla camera cardiaca si è accumulato nella colonna, aumentando il suo livello di riempimento e la pressione idrostatica. Quest’ultima in particolar modo aumentava in funzione del diametro interno del costrittore.
MiniPUMP fornisce un ciclo pressione-volume ventricolare di forma fisiologica
Per ottenere un ciclo pressione-volume (PV) completo, è stata ricavata computazionalmente la dinamica della pressione all’interno della camera cardiaca durante le fasi di riempimento e di espulsione, utilizzando la tecnica della velocimetria ad immagine di particelle per calcolare:
- la portata come velocità media nel canale moltiplicata per l’area della sezione trasversale;
- il volume di fluido spostato integrando nel tempo la portata;
- la pressione importando la portata in simulazioni FEM.
I risultati ottenuti mostrano che l’implementazione di un flusso unidirezionale e di un gradiente di pressione utilizzando le valvole e il restrittore è stato sufficiente per ottenere un ciclo PV di forma fisiologica, con fasi isovolumetriche e pressioni separate di precarico e postcarico (Figura 6).
Prospettive future
Possiamo studiare la progressione della malattia in un modo che non è stato possibile prima. Abbiamo scelto di lavorare sul tessuto cardiaco a causa della sua meccanica particolarmente complicata, ma abbiamo dimostrato che, quando prendi la nanotecnologia e la sposi con l’ingegneria dei tessuti, c’è il potenziale di replicarlo per più organi
Alice White, professoressa di ingegneria meccanica presso il College of Engineering dell’Università di Boston
Le parole della dottoressa White fanno ben sperare nell’affinazione della tecnologia al fine di porre le basi per altri organ-on-chip, dai reni ai polmoni.
Ulteriori evoluzioni potrebbero essere:
- il miglioramento della meccanica dello scaffold e l’impiego di materiali idonei per realizzare il rimodellamento ventricolare in risposta ad interventi acuti o cronici;
- l’arricchimento del sistema con ulteriori tipi di cellule e strutture funzionali.
Fonti e approfondimenti
- Science Advances – Engineering a living cardiac pump on a chip using high-precision fabrication
- The Brink – New miniature heart could help speed heart disease cures
- Litografia Multifotone – Approfondimento
- Development Journal – Modeling human diseases with induced pluripotent stem cells: from 2D to 3D and beyond
