Organoides cardíacos manipulados com nanofios restauraram a função cardíaca em ratos

Organoides cardíacos manipulados com nanofios restauraram a função cardíaca em ratos

Carimbo de data / hora: 8 de agosto de 2023, 10h
Organóides cardíacos enganados com nanofios restauraram a função cardíaca em ratos PlatoBlockchain Data Intelligence. Pesquisa vertical. Ai.

As bolhas minúsculas e flutuantes de mini-corações saíram direto de Frankenstein. Feito de uma mistura de células-tronco humanas e uma pitada de nanofios de silício, os organoides do coração ciborgue bizarramente bombeados enquanto cresciam dentro de placas de Petri.

Quando transplantados para ratos com lesões cardíacas, eles perderam sua forma esférica, espalhando-se em regiões danificadas e conectando-se com as próprias células cardíacas dos hospedeiros. Dentro de um mês, os ratos recuperaram grande parte de sua função cardíaca.

Não é ficção científica. Um novo estudo este mês ligou componentes elétricos digitais com células biológicas em um organoide ciborgue que, quando transplantado para modelos animais de insuficiência cardíaca, fundiu-se e reparou corações vivos e pulsantes.

No coração (tosse, trocadilho intencional) da tecnologia estão os nanofios de silício biodegradáveis ​​eletricamente ativos. As células cardíacas sincronizam seus movimentos com a batida da atividade elétrica, produzindo o ritmo padrão “ba-bump, ba-bump”. Uma dose de nanofios nos organoides atuou como um condutor para a sinfonia, permitindo que os mini-corações desenvolvidos em laboratório se sincronizassem melhor com seus hospedeiros.

Em comparação com os organoides cardíacos padrão – cultivados exatamente da mesma maneira, mas sem o reforço do nanofio – os ciborgues poderiam tolerar melhor o ambiente químico hostil dentro do coração após um ataque cardíaco. Eles também se conectaram melhor com seus hospedeiros durante a recuperação, combatendo um efeito colateral prejudicial frequentemente observado após lesões cardíacas.

Por enquanto, o transplante de organoide de coração ciborgue só funciona em ratos. Mas é apenas um começo.

Parada de corações

O coração é um soldado. Do nascimento à morte, contrai-se e libera-se diligentemente para bombear sangue cheio de oxigênio para o resto do corpo. É uma maravilha biológica, fielmente durando mais de 100 anos em centenários - muito mais do que a maioria das engenhocas de hardware feitas pelo homem.

No entanto, o coração também é um ponto de falha. A doença cardíaca é a principal causa de morte em todo o mundo. A principal razão é que os cardiomiócitos – as “células musculares” do coração que se contraem – têm uma capacidade muito limitada de se regenerar. Quando danificado por um ataque cardíaco, o tecido cicatricial cresce gradualmente em torno das áreas lesadas, limitando a capacidade de contração do coração.

Os cientistas há muito procuram tratar doenças cardíacas com células novas e saudáveis. Uma ideia popular é guiar as células-tronco humanas para se transformarem em cardiomiócitos substitutos. As células do músculo cardíaco feitas em laboratório são então injetadas em áreas danificadas. Os cientistas testaram o tratamento em uma variedade de modelos animais de doenças cardíacas, incluindo roedores, porcos e primatas não humanos. Mas as células saudáveis, quando confrontadas com um ambiente hostil, lutaram para sobreviver. Aqueles que o fizeram não conseguiram se recuperar de forma confiável de danos cardíacos, levando a possíveis problemas de arritmia – batimentos cardíacos irregulares que ocorrem quando diferentes partes do coração não conseguem bater em um ritmo sincronizado.

Digite organoides. Essas estruturas imitam vagamente suas contrapartes originais em seus genes e diversos tipos de células. Cultivadas em laboratório, as bolhas 3D de tecido são amplamente usadas como órgãos substitutos para testar novas drogas ou desenvolver teorias sobre como as coisas funcionam dentro do corpo – por exemplo, como reparar danos causados ​​por um ataque cardíaco. Mas eles também têm o potencial de substituir tecidos danificados - algo que é já sendo explorado para lesões cerebrais.

Também funcionaria para o coração?

Back in 2017, a equipe imaginou um minicoração - chamado de organoide cardíaco - que combinava um ensopado de diferentes tipos de células. Quando misturadas dentro de uma receita nutritiva de “sopa”, as células se organizam em mini-corações organoides, como uma rede de vasos sanguíneos que ajudam a transportar oxigênio. No entanto, faltava um componente-chave: sincronia. Como uma orquestra talentosa sem maestro, os mini-corações resultantes precisavam de um “pulso” para manter a batida afinada.

Digite nanofios. Imagine-os como cabelos curtos e ásperos que você raspa. Esses fios de magia tecnológica são feitos de silício que conduz eletricidade. Em comparação com os nanofios anteriores à base de ouro ou carbono, eles são muito mais biocompatíveis e se dissolvem dentro do corpo.

Cerca de uma década atrás, a equipe descobriu surpreendentemente que os nanofios (chamados e-SiNW) podem acionar cardiomiócitos humanos derivados de células-tronco para incorporá-los à medida que as células se desenvolvem em pequenas bolhas. A adição de uma dose de silício tornou os mini-corações resultantes mais fortes, permitindo que as células organoides projetadas pulsassem de acordo com a melodia elétrica do coração.

Coração partido

Como primeiro teste, a equipe injetou os nanofios diretamente no coração de ratos saudáveis. 28 dias depois (não, não é esse tipo de história de zumbi), os ratos seguiram seus caminhos felizes, o que significa que os nanofios eram biocompatíveis e seguros.

Em seguida, eles fizeram uma “almôndega” com cerca de 1,000 células cardíacas de origem humana e um número semelhante de nanofios, com uma grande dose de células de suporte adicionadas 10 dias depois. O minicoração começou a pulsar dentro de uma placa de Petri em apenas sete dias.

Quando transplantadas para ratos saudáveis, as almôndegas ciborgues lentamente rasgaram sua forma esférica, sugerindo que estavam se integrando ao ambiente cardíaco do hospedeiro. Em menos de um mês, os mini-corações – com seus nanofios – formaram múltiplas conexões elétricas com as células cardíacas naturais do hospedeiro.

Isso mostra que os organoides com nanofios podem se conectar com um coração batendo usando eletricidade e vasos sanguíneos, disse a equipe.

Então veio o teste final: reparar problemas após um ataque cardíaco. Aqui, o coração luta para se recuperar da falta de sangue e oxigênio, muitas vezes devido a um bloqueio, como um coágulo sanguíneo. Uma vez que o bloqueio é eliminado, o sangue corre pelas veias e muitas vezes causa ainda mais danos. Um centro importante é o ventrículo esquerdo no coração - a parte superior esquerda do órgão. Este é o “motor” do corpo, bombeando sangue para sustentar o restante dos tecidos. Também é facilmente danificado em doenças cardíacas e gera um ambiente local hostil para novos transplantes. (Imagine tentar plantar novas árvores dentro de um vulcão ativo que acabou de explodir.)

Em um teste, a equipe injetou diretamente organoides ciborgues e suas contrapartes puramente biológicas em ratos quatro dias após um ataque cardíaco. Ambos os enxertos associados aos seus hospedeiros apenas uma semana após o transplante. Os organoides com nanofios se misturaram com os corações hospedeiros em um nível muito mais alto, mesmo em torno de áreas fortemente danificadas com tecido cicatricial.

É um sinal de sua “capacidade de sobreviver nas regiões mais hostis” do coração danificado, disse a equipe.

Os ratos que receberam os implantes ciborgues restauraram muito mais funcionalidade do que os organoides sem os nanofios. A reconstrução se estendeu além do próprio coração para ajudar a controlar a pressão arterial. Ao restaurar um fluxo sanguíneo suave, o transplante “aumenta a eficácia terapêutica” dos minicorações humanos, disse a equipe.

Os nanofios também encantaram os mini-corações com seus hospedeiros. 28 dias após o tratamento, os corações dos hospedeiros tinham muito menos tecido cicatricial normalmente associado à insuficiência cardíaca. Os transplantes de ciborgues funcionaram bem com o sistema imunológico dos ratos, que geralmente aumentam após um ataque cardíaco. As principais células imunes envolvidas no processo são os macrófagos. Essas células podem ser demônios ou anjos, desencadeando respostas imunes mortais ou apoiando a restauração. Em comparação com os organoides sem fio, os ciborgues aumentaram a porção de células imunes “anjos” nas zonas de enxerto e borda para ajudar a consertar a função do coração partido.

Há um longo caminho a percorrer antes que os resultados se traduzam em humanos. No entanto, os resultados são o mais recente impulso criativo para o uso de organoides para consertar órgãos danificados. A “sinergia terapêutica” entre nanomaterial elétrico e mini-órgãos humanos não se limita ao coração. Uma estratégia semelhante poderia ser usada para outros tecidos eletricamente ativos, como o músculo ou o cérebro, disseram os autores.

Crédito de imagem: Tan et al/Avanços da ciência

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