Nos últimos anos, os cientistas têm usado modelos de tecidos biomiméticos – tecidos reconstruídos projetados para replicar os atributos do tecido vivo – para estudar doenças e desenvolvimento no corpo humano. O coração, no entanto, é uma história diferente. Embora os avanços na pesquisa com células-tronco agora facilitem o crescimento do tecido cardíaco, a replicação de um coração humano em funcionamento em um laboratório continua complicada.
Para resolver essa lacuna, uma equipe de pesquisa multidisciplinar desenvolveu uma réplica em miniatura de uma câmara cardíaca que reúne tecnologias avançadas de células-tronco e nanoengenharia. Chamado de bomba microfluídica unidirecional habilitada para precisão miniaturizada (miniPUMP), o dispositivo compreende um andaime oco, microscópico e cilíndrico construído usando impressão 3D de precisão. Este andaime forma uma estrutura para o tecido cardíaco, que é feito de células do músculo cardíaco derivadas de células-tronco humanas. O dispositivo imita a câmara inferior do coração, o ventrículo.
E assim como um coração real, o tecido bate espontaneamente, diz Christos Michas , pesquisador biomédico da Universidade de Boston e principal autor do estudo. O dispositivo é submerso em meio celular contendo glicose e outros nutrientes que as células precisam para sobreviver. “É possível fazer o tecido bater simulando [ele] eletricamente, [mas] você não precisa. Basta montá-lo e ele faz o que quer”, diz ele.
A novidade do miniPUMP, explica Michas, é a união da nanofabricação e engenharia de tecidos de uma forma que não foi considerada antes. “Com as peças de nanoengenharia, conseguimos replicar diferentes aspectos do coração – especificamente, a câmara, que se contrai e depois volta, e também as válvulas que regulam o fluxo do sangue”, diz ele. Eles foram, assim, capazes de imitar alguns aspectos da função cardíaca, como pressão e volume de fluido bombeado, que até agora não foram representados na literatura de pesquisa. “Ao fazer isso, temos acesso a mais métricas do desempenho do coração, para que possamos ter um modelo melhor do coração.”
Além da conveniência de ter modelos de órgãos reduzidos para pesquisa, a miniaturização do dispositivo tem outras vantagens, diz a coautora Alice White , cadeira de engenharia mecânica da Universidade de Boston. Primeiro, não usa muitas células-tronco, que são um bem precioso. “[Isso] também significa que talvez possamos fazer muitas coisas em paralelo em um espaço relativamente pequeno”, diz White. A outra grande vantagem, acrescenta ela, é que sua minicâmara cardíaca é compatível com outras tecnologias de órgão em um chip que estão sendo desenvolvidas.
O chip em questão, explica Michas, é um chip microfluídico revestido com células humanas vivas. A equipe usou uma técnica de impressão 3D chamada escrita de laser direto de dois fótons, na qual uma resina líquida biocompatível se solidifica em contato com o laser. “Não importava realmente qual era o material, desde que pudesse manter sua estrutura e ter características muito finas”, acrescenta. A fabricação de precisão era crucial, pois muitos dos componentes do miniPUMP eram menores que uma partícula de poeira, e tudo era menor que um selo postal.
Um dos maiores desafios para a equipe foi replicar a função de bombeamento do coração. “Primeiro de tudo, você precisa de uma câmara cardíaca – algo que se assemelhe a um balão – para que possa conter fluido”, diz Michas. “[Arranjar] o tecido em uma escala tão pequena, em formato 3D, é muito desafiador, porque o tecido por si próprio colapsaria em uma esfera.” Este é o lugar onde o andaime de microengenharia entrou em uso.
O segundo aspecto, acrescenta Michas, é que o fluido deve fluir de forma direcional, assim como acontece no coração. “Isso significa que precisávamos ter válvulas, mas as válvulas que precisaríamos para um sistema tão reduzido seriam extremamente sensíveis à pressão.” Mais uma vez, a impressão 3D de alta resolução permitiu isso.
À medida que o tecido bate, ele ejeta fluido para fora da câmara [direita] – assim como um coração humano bombeia sangue. Avanços da ciência
A minicâmara cardíaca de Michas e seus colegas continuou a bater no laboratório por três semanas. “Não realizamos um estudo completo para ver o efeito dos tratamentos terapêuticos no coração, mas com os ajustes adequados, estou bastante confiante de que durará meses”, diz Michas.
Essa longevidade, além de replicar o mecanismo natural de batimento do músculo cardíaco, oferece aos cientistas oportunidades para estudar o coração e testar a eficácia da terapêutica sem risco para pacientes humanos. Além do desenvolvimento e teste de medicamentos, Michas também vê outras possibilidades, como a modelagem de doenças. “Sabemos que, no caso da hipertensão, o coração, com o tempo, muda a maneira como bate, a quantidade de sangue que pode bombear, a velocidade com que [faz isso]”, diz ele. “Então, se queremos entender isso melhor e desenvolver terapias, precisamos ter modelos de fácil acesso para replicá-lo. O miniPUMP pode ser usado para isso [controlando a pressão da válvula]. Essa é uma das métricas adicionais que outros sistemas geralmente não possuem.”
Outra possibilidade, diz Michas, é desenvolver terapias avançadas, como terapias genéticas. “Isso nos permite, novamente, replicar um pouco do processo dessas terapias e ver se [funcionam] ou não”. Por último, é modelar o desenvolvimento humano. “Essa é uma questão científica muito complicada, e modelos como esse, até certo ponto, podem nos ajudar a entender melhor como o corpo se forma durante o desenvolvimento do embrião.”
O projeto miniPUMP faz parte do CELL-MET , um centro de pesquisa de engenharia financiado pela National Science Foundation que explora metamateriais celulares. “O objetivo do CELL-MET é criar um pedaço de tecido cardíaco funcional a partir de células-tronco do próprio paciente”, diz White. “A tese era que a nanofabricação e trazer esse nível de controle para o desafio da engenharia de tecidos resultaria em alguns grandes avanços.” O projeto também inclui pesquisadores da Florida International University, que ajudaram nas medições mecânicas nos andaimes, e aqueles da Harvard Medical School que tinham experiência em doenças cardíacas e trabalho com células-tronco.
