Bolile cardiovasculare rămân principala cauză de deces la nivel mondial. Testarea modului în care inima umană reacţionează la medicamente sau la diferite boli este un proces dificil şi presupune riscuri atunci când implică pacienţi. Un nou model tridimensional de „inimă pe cip”, care bate autonom şi poate fi monitorizat în timp real până la nivel celular, ar putea îmbunătăţi studiul acestor afecţiuni şi evaluarea tratamentelor.
Cercetători de la mai multe instituţii din Canada au dezvoltat o platformă tridimensională de ţesut cardiac obţinut prin bioinginerie, capabilă să se contracte spontan, să mobilizeze calciul pentru iniţierea activităţii musculare şi să răspundă previzibil la medicamente uzuale.
Principala noutate constă în integrarea a două tipuri de senzori în acelaşi model, care permit monitorizarea în timp real a activităţii cardiace atât la nivelul întregului ţesut, cât şi la nivelul fiecărei celule.
Platformele anterioare de tip „inimă pe cip”, inclusiv o versiune descrisă de aceeaşi echipă în 2024, nu ofereau senzori cu rezoluţie suficientă pentru analiza la nivel de celulă.
Monitorizarea la nivel celular este importantă deoarece multe boli cardiovasculare implică afectarea cardiomiocitelor, celulele responsabile de contracţia muşchiului inimii. Evaluarea funcţiei celulare este importantă pentru prevenirea insuficienţei cardiace la pacienţii cu astfel de afecţiuni.
Pentru realizarea modelului, cercetătorii au prelevat celule musculare cardiace şi celule de ţesut conjunctiv cardiac de la şobolani. Celulele au fost introduse într-o matrice gelatinoasă bogată în proteine fibroase şi nutrienţi, pentru a stimula creşterea, apoi au fost însămânţate pe microcipuri flexibile pe bază de siliciu.
În interiorul fiecărui model au fost integrate două tipuri de senzori. Pentru măsurarea forţei la scară macroscopică, ţesuturile cardiace au fost plasate între doi stâlpi elastici. Aceştia se deformează la fiecare bătaie, iar gradul de deformare reflectă forţa de contracţie a întregului ţesut.
Pentru analiza la nivel celular, în ţesut au fost introduşi microsenzori flexibili pe bază de hidrogel. Deformarea acestor microstructuri, cu un diametru mediu de aproximativ 50 de micrometri, indică stresul mecanic local generat de celule.
Autorii arată că această abordare reprezintă un pas important pentru testarea bolilor în laborator, deoarece forţele generate de celule influenţează formarea, remodelarea şi eficienţa contractilă a ţesutului cardiac, precum şi alte procese biologice, cum sunt vindecarea ţesuturilor şi evoluţia cancerului.
Modelul a fost evaluat şi pentru testarea medicamentelor.
Cercetătorii au expus ţesuturile la două substanţe bine studiate. Prima, norepinefrina, cunoscută şi ca noradrenalină, este utilizată în practică pentru creşterea activităţii cardiace şi menţinerea tensiunii arteriale, inclusiv în stopul cardiac. Pentru a obţine efectul opus, de reducere a activităţii de contracţie, a fost administrat blebbistatin, un inhibitor al activităţii musculare. Ţesutul cardiac a reacţionat conform efectelor cunoscute ale celor două substanţe, ceea ce arată că modelul poate reproduce modul în care forţa de contracţie şi ritmul cardiac se modifică sub acţiunea unor medicamente uzuale.
Potrivit autorilor, posibilitatea de a urmări în timp real reacţia ţesutului la diferite substanţe este utilă în etapa preclinică de dezvoltare a medicamentelor şi în studiile care urmăresc aplicarea rapidă a rezultatelor din laborator în practica medicală.
Etapa următoare vizează simularea unor boli specifice prin utilizarea de celule provenite de la pacienţi cu diverse afecţiuni cardiace, inclusiv cardiomiopatie dilatativă, o boală adesea genetică ce poate duce la insuficienţă cardiacă, precum şi tulburări de ritm cardiac.
Pe termen lung, astfel de modele ar putea permite alegerea tratamentului pe baza testelor realizate pe celulele proprii ale pacientului, înainte de prescrierea unui medicament.
Rezultatele au fost publicate în februarie, în revista Nano Micro Small.
