20 de Julio de 2022
Medicina

Una nueva técnica de bioingeniería permite crear tejidos cardíacos más funcionales

La inyección de nanofibras, en combinación con un flujo de aire rotatorio, es capaz de generar estructuras más similares a las del corazón humano

Las fibras musculares del corazón humano poseen una compleja organización helicoidal. Foto [iStock/peepo]

El corazón humano es, a grandes rasgos, un tubo muscular enrollado de forma helicoidal, como una toalla que se enrolla sobre sí misma. Este plegamiento particular, que se produce por rotación y torsión, tiene lugar durante la fase embrionaria y es determinante en el bombeo eficiente de la sangre por este órgano. La mayor contribución del cardiólogo español Francisco Torrent Guasp fue precisamente el descubrimiento y la descripción del característico enrollamiento muscular de los ventrículos del corazón. Su trabajo lo convirtió en uno de los científicos más relevantes en la investigación de la anatomía y estructura del corazón, hasta el punto de ser candidato al premio Nobel.

Esta peculiar organización del corazón, con múltiples capas de músculos que se alinean helicoidalmente en diferentes ángulos, supone todo un reto para la creación de un corazón bioartificial que sea del todo funcional en el ser humano. Las técnicas usadas en la última década cuentan con importantes limitaciones a la hora de recrear las estructuras helicoidales de este órgano. Por un lado, con la impresión 3D es posible un gran control de la forma del tejido y el órgano, pero el proceso de fabricación de estructuras complejas a nivel microscópico es muy lento. Por otro, con el electrohilado es posible definir con precisión diferentes características de las fibras, pero no su organización en 3D.

Ahora, un grupo interdisciplinar de investigadores de la Universidad Harvard ha presentado al mundo una nueva técnica, más avanzada, que permite crear estructuras con una mayor similitud al esqueleto fibroso (la matriz extracelular) del corazón. Su trabajo se ha publicado en la revista Science, donde se muestra con detalle el funcionamiento y el potencial de este método para generar estructuras cardíacas, un método que supera las limitaciones de otras técnicas.

El sistema de fabricación, que recibe el nombre de «hilado mediante flujo de aire rotatorio dirigido» (FRJS, por sus siglas en inglés) recuerda, hasta cierto punto, al que se emplea en las ferias para hacer algodón de azúcar. Los científicos inyectan fibras de polímero mediante un motor a gran velocidad a partir de un depósito en donde se encuentra este material en una solución líquida. Cuando el polímero sale del depósito, a través de un orificio diminuto, se solidifica en forma de fibra por la evaporación del solvente. Un potente flujo de aire dirigido permite orientar en cada momento las fibras que salen y que se depositan en un colector. De esta forma, se puede controlar a voluntad la producción de fibras tanto en el plano vertical como horizontal, y también alinearlas.

Con esta técnica, los científicos pueden controlar diferentes parámetros de estas fibras como el diámetro (micrométrico o nanométrico), la alineación y la disposición en 3D. Además, al girar el colector y cambiar su ángulo mientras se depositan las fibras es posible simular la organización helicoidal de las fibras musculares del corazón.

Para demostrar el potencial de este método, los autores crearon muestras de tejidos de diferentes tamaños y complejidad, así como también distintas estructuras de corazones: desde el esqueleto fibroso de un corazón humano a tamaño real hasta las estructuras de ventrículos, compuestos por una sola capa, de corazones de rata, gato, humano y ballena enana. Además, generaron estructuras complejas de ventrículos con tres capas para mostrar el grado de precisión que posee este método a la hora de alinear las fibras y organizarlas en 3D.

El equipo añadió células musculares cardíacas (cardiomiocitos) de rata y humanas (derivadas de células madre) sobre diferentes tejidos. Comprobaron que las células se adherían a las fibras siguiendo su alineación y podían contraerse a lo largo de diferentes capas. Los ventrículos con los cardiomiocitos en disposición helicoidal y contrayéndose simulaban, hasta cierto punto, los movimientos de torsión presentes en el corazón humano. Por otra parte, la función de los ventrículos con organización helicoidal era mejor que aquellos con alineación en circunferencia, en cuanto a su capacidad para contraerse y bombear.

Esta novedosa técnica abre una nueva puerta a la ingeniería de tejidos cardíaca, que podrá contar con una opción más para crear rápidamente estructuras diseñadas para las células del corazón, con la ventaja de poder controlar su alineación con más precisión. Además, este método de hilado puede usarse para entender cómo la organización helicoidal de las fibras musculares del corazón determina su función contráctil. A su vez, permitirá crear modelos que informen mejor sobre qué ocurre cuando aparecen determinadas malformaciones o lesiones que alteran la estructura del corazón. Las posibilidades de esta técnica de hilado no terminan ahí: podría ser también de utilidad para crear otros muchos tejidos donde la alineación de sus estructuras resulta fundamental, como los vasos sanguíneos o el cartílago.

Esther Samper

Referencia: «Recreating the heart’s helical structure-function relationship with focused rotary jet spinning»; Huibin Chang et al. en Science, vol. 377, n.º 6602, págs. 180-185, 7 de julio de 2022.  

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