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Pesquisadores em Instituto Wyss de Engenharia de Inspiração Biológica de Harvard e o Escola de Engenharia e Ciências Aplicadas John A. Paulson (SEAS) desenvolveram um novo método para impressão 3D de redes vasculares que pode avançar no campo do transplante de órgãos.
Focada na criação de órgãos humanos funcionais fora do corpo, esta nova técnica apresenta um design que imita a estrutura dos vasos sanguíneos naturais. Desenvolvido a partir de um método anterior chamado escrita sacrificial em tecido funcionalesse novo método chamado SWIFT coaxial (co-SWIFT) permite a criação de redes interconectadas de vasos sanguíneos incorporados ao tecido cardíaco humano, aumentando a viabilidade da produção de órgãos humanos implantáveis.
Publicado em Materiais Avançadoseste estudo foi apoiado por bolsas da Bolsa de estudos Vannevar Bush School e o Fundação Nacional de Ciênciascom contribuições de uma equipe de pesquisadores incluindo Katharina Kroll, Alexander Ainscough, Daniel Reynolds, Alexander Elamine, Ben Fichtenkort e Sebastien Uzel como coautores.
“Dizer que projetar tecidos humanos vivos funcionais em laboratório é difícil é um eufemismo. Estou orgulhoso da determinação e criatividade que essa equipe demonstrou ao provar que eles poderiam de fato construir melhores vasos sanguíneos dentro de tecidos cardíacos humanos vivos e pulsantes. Estou ansioso pelo sucesso contínuo deles em sua busca para um dia implantar tecido cultivado em laboratório em pacientes”, disse o diretor fundador da Wyss, Donald Ingber, MD, Ph.D.
Impressão 3D de vasos sanguíneos biomiméticos
Para essa abordagem, a equipe usou um bico núcleo-casca projetado para impressão 3D, que permite a construção de vasos sanguíneos com uma casca de células musculares lisas e células endoteliais ao redor de um núcleo oco através do qual os fluidos podem fluir.
O processo iniciado pela equipe envolve duas “tintas” exclusivas para criar os vasos: uma tinta de casca à base de colágeno para construir as paredes dos vasos e uma tinta de núcleo à base de gelatina para formar o centro oco. Ao ajustar a velocidade de impressão e a taxa de fluxo de tinta, os pesquisadores adaptaram o tamanho dos vasos. Após a impressão, essas estruturas são incorporadas em uma matriz de hidrogel ou em um novo materials poroso à base de colágeno conhecido como uPOROSreplicando as propriedades do tecido muscular.
Isso foi seguido pela equipe aquecendo a matriz, fazendo com que o colágeno se reticulasse e o núcleo de gelatina derretesse, deixando para trás uma rede vascular perfusível. De acordo com os pesquisadores, essa etapa é essential para a formação de vasos sanguíneos abertos e funcionais.
Melhorando a qualidade biomimética dos vasos impressos, a equipe incorporou células musculares lisas na tinta da concha. Após a remoção do núcleo de gelatina, a equipe perfundiu células endoteliais para estabelecer a camada interna dos vasos sanguíneos. Testes subsequentes confirmaram que essas células permaneceram viáveis e funcionais, diminuindo significativamente a permeabilidade dos vasos em comparação com aquelas sem revestimento endotelial.
Uma vez integradas em matrizes densas de células cardíacas, as estruturas vasculares começaram a bater sincronizadamente quando perfundidas com um fluido que imitava sangue, mostrando a funcionalidade desses tecidos impressos em 3D como tecido cardíaco saudável e funcional. Além disso, esses tecidos responderam corretamente a medicamentos que afetam a frequência cardíaca, demonstrando seu potencial em testes de medicamentos e modelagem de doenças.
Esta pesquisa avança o desenvolvimento do transplante de órgãos e demonstra a criação de tecidos específicos do paciente, conforme observado em um modelo impresso da artéria coronária de um paciente. Planos futuros para esta tecnologia incluem o desenvolvimento de redes de capilares para melhorar a funcionalidade de tecidos cultivados em laboratório, aproximando-se do objetivo de replicar a estrutura completa dos vasos sanguíneos humanos.
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Desenvolvimentos anteriores em impressão 3D vascular
A impressão 3D de redes vasculares é um esforço contínuo. Em 2021, cientistas da Instituto de Tecnologia de Israel (Technion) usou impressão 3D para criar um rede funcional de vasos sanguíneos grandes e pequenos capaz de fornecer sangue aos tecidos implantados.
Liderada pelo Professor Shulamit Levenberg, esta pesquisa teve como objetivo contornar a necessidade de etapas pré-transplante e reduzir o risco de rejeição do implante usando tecidos específicos do paciente. Após testar a rede vascular em ratos, a equipe planejou adaptar a tecnologia para animais maiores, avançando em direção a tecidos cultivados em laboratório adequados para transplante.
Alguns anos antes, pesquisadores da Universidade da Califórnia desenvolveu um método para Impressão 3D de vasos sanguíneos funcionais usando hidrogel e células endoteliais. Dirigida pelo Professor Shaochen Chen, a equipe integrou com sucesso esses vasos impressos no sistema circulatório de camundongos, onde eles se fundiram com vasos sanguíneos existentes.
Enquanto os vasos circulavam sangue, eles eram incapazes de transferir nutrientes e resíduos, disse a equipe. Esta pesquisa teve como objetivo superar uma barreira basic em transplantes de órgãos, com esforços futuros focados em tecidos específicos do paciente e potenciais ensaios clínicos.
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A imagem em destaque mostra o método SWIFT unique (à esquerda) imprimindo canais ocos através de OBBs vivos (verde), mas não tinha estrutura para conter fluido enquanto ele fluía. O Co-SWIFT (à direita) cria um vaso carregado de células (vermelho) ao redor do canal, o que isola o fluxo sanguíneo do tecido e melhora sua viabilidade. Imagem by way of Wyss Institute na Universidade Harvard.