Este mini corazón cultivado en laboratorio puede mantener el ritmo | Ciencias

Un laboratorio de Viena ha utilizado células madre para crear miles de estructuras diminutas con forma de corazón. Cada corazón en miniatura, denominado “cardioide”, es del tamaño de una semilla de sésamo y tiene una cámara hueca que late.

Los cardioides se diferencian de las invenciones pasadas que parecían corazones, que los científicos crearon mediante el uso de andamios exteriores y células por las que se movían, como construir una pared con ladrillos. Esas creaciones no son tan útiles para estudiar la estructura y la enfermedad realistas del corazón.

Los cardioides descritos hoy en la revista Célula Desarrollar sin la guía en forma de rueda de entrenamiento de un andamio exterior. En cambio, los científicos introdujeron las células madre a una serie de sustancias químicas que desempeñan un papel importante en el desarrollo del corazón. Los cardioides crecen a partir de paquetes de células madre en globos de agua de un milímetro de ancho en solo una semana. La mayoría de los cardioides se parecen mucho a la cámara más grande del corazón, el ventrículo izquierdo.

“Ves que las células cambian de forma [while they grow] y es realmente increíble, pero está en otro nivel cuando realmente hacen algo ”, dice Nora Papai, bióloga del Instituto de Biología Molecular de la Academia de Ciencias de Austria y coautora del estudio. “Comienzan a temblar alrededor del día cinco, y en el día siete ves este agradable ritmo de batida”.

En el futuro, estas mini-versiones de corazones humanos cultivadas en laboratorio podrían usarse para estudiar el desarrollo cardíaco y las enfermedades cardíacas, reemplazando los métodos actuales que usan corazones de animales de laboratorio.

Un cardioide es un tipo de organoide, una versión en miniatura de un órgano cultivado en el laboratorio para su uso en investigación. Hay algunos que parecen cerebros en miniatura, tripas en miniatura y casi todos los demás órganos importantes. Pero hasta ahora no se había creado ningún organoide cardíaco autoorganizado, desarrollado únicamente a partir de células madre y señales químicas.

A diferencia de los corazones, los cardioides no están conectados a un sistema circulatorio, por lo que no tienen ninguna tubería entrando o saliendo de su cavidad. Y a diferencia de los corazones, que tienen cuatro cámaras, los cardioides solo tienen una. Pero sus similitudes con los corazones van más allá del pequeño latido cardíaco de los cardioides. Los cardioides tienen las mismas tres capas que los corazones naturales y su cámara está llena de líquido.

Los cardioides también pueden manejar entornos que estresarían a la mayoría de los grupos de células unidas a tubos de ensayo. Los investigadores se dieron cuenta de esto debido a un accidente de envío: cuando enviaron un lote de cardioides a un colega que quería usarlos para estudiar el coronavirus pandémico, el paquete se atascó en un aeropuerto. Los cardioides pasaron cuatro días a temperatura ambiente, nadando en un líquido lleno de nutrientes, antes de llegar a su destino.

“Todavía estaban latiendo”, dice la investigadora del Instituto de Biología Molecular Sasha Mendjan, autora principal del estudio, de los cardioides. La prueba de esfuerzo inadvertida mostró cuán robustos son los cardioides. “Una vez que se formaron, son felices. El proceso de formación, por supuesto, es más delicado ”.

Los cardioides comienzan como pluripotente células madre, que tienen el potencial de convertirse en cualquier célula del cuerpo si se reciben las instrucciones adecuadas del entorno. El equipo de investigación utilizó en su experimento seis sustancias químicas conocidas por su importancia en el desarrollo del corazón humano. Otros intentos de crear organoides con forma de corazón utilizaron solo dos o tres factores y, a menudo, terminaron con células no cardíacas en el producto final. Mendjan sospecha que algunas células madre se vuelven rebeldes y se convierten en otras células porque no reciben un conjunto completo de instrucciones. El uso de los seis factores, dice Mendjan, fue clave para el éxito de los cardioides porque les dio a los investigadores el control sobre muchas vías de desarrollo molecular.

Cuando el equipo diseñó sus experimentos por primera vez, estaban tratando de convertir células madre en células cardíacas en una hoja bidimensional, pero las células no se mantendrían planas a medida que crecían. Las células seguían pandeándose y sin adherirse al fondo del plato, incluso con una capa de material similar al pegamento en la parte superior.

Entonces, el coautor Stefan Jahnel sugirió dejar que las células crezcan en un espacio tridimensional. Luego, las células tuvieron el espacio para tomar su forma de globo.

Una vez que tuvieron una forma confiable de crear cardioides, los investigadores comenzaron a usarlos para probar la respuesta del corazón a diferentes lesiones. Crearon algunos cardioides con mutaciones genéticas y descubrieron que daban como resultado cardioides más pequeños con proporcionalmente menos espacio dedicado a la cámara. Este es el comienzo del estudio de los defectos cardíacos en el desarrollo humano temprano, que afectan a alrededor del dos por ciento de los niños.

“No hay forma de que veamos esto en el embrión humano en esa etapa porque las mujeres ni siquiera saben que están embarazadas en esa etapa”, dice Mendjan. El cardioide imita la apariencia de un corazón embrionario aproximadamente después del primer mes de desarrollo. Por lo tanto, los cardioides pueden ayudar con el estudio de defectos como el síndrome del corazón izquierdo hipoplásico, que aparece temprano en el desarrollo y es mortal sin una cirugía invasiva.

El equipo también probó cómo los cardioides se recuperan de ataques cardíacos simulados.

“Durante un ataque cardíaco, mueren casi mil millones de células, pero no desaparecen simplemente”, dice Papai. Para imitar el efecto de muchas células muertas que quedan en los cardioides, Papai y sus colegas usaron una varilla de metal delgada, aproximadamente del tamaño del pin que se usa para quitar las tarjetas SIM de los teléfonos inteligentes, que sumergieron en nitrógeno líquido para alcanzar los -320 grados Fahrenheit. .

“Cuando lo mantienes dentro de las celdas, esa área muere inmediatamente debido a la temperatura muy fría. Pero cuando las células mueren, no desaparecen ”, dice Papai. Las células se quedan en el cardioide, que luego comienza a recuperarse.

Algunos cardioides que fueron diseñados para parecerse a corazones embrionarios fueron capaces de regenerarse con células vivas. Pero los cardioides que eran más como corazones maduros, con una capa externa adicional, desarrollaron en cambio una capa de colágeno, como tejido cicatricial. El tejido cicatricial no bombea ni se mueve tan bien como el tejido cardíaco sano, por lo que con el tiempo puede causar problemas a una persona que ha tenido un ataque cardíaco. Pero debido a que los científicos han descubierto que algunos cardioides se regeneran, quieren comenzar a estudiar los mecanismos detallados de cómo, y tal vez encontrar una manera de crear un mejor tratamiento después de un ataque cardíaco.






Después de lesionarse con una barra de metal súper fría, la mitad izquierda oscura del cardioide permanece sana y late, mientras que el lado derecho de color claro del cardioide está cubierto de células muertas.

(Cortesía del Mendjan Lab)

“Sorprendentemente, Mendjan y sus colegas superaron un gran obstáculo en el campo para generar cardioides humanos autoorganizados … al aprovechar las reglas normales del desarrollo del corazón”, escribe Laurie Boyer, ingeniera biológica del Instituto de Tecnología de Massachusetts, que estudia los genes involucrados en el desarrollo del corazón y no participó en la nueva investigación, en un correo electrónico.

El estudio acerca el campo “un paso más” a la creación de modelos de laboratorio para estudiar el desarrollo de órganos y enfermedades, dice Boyer, pero quedan por ver avances clave, como tener modelos con todos los vasos sanguíneos, cámaras y nervios de un corazón real.

El equipo de investigación ahora está patentando sus cardioides y espera que las creaciones proporcionen una forma útil de estudiar el desarrollo del corazón y probar nuevos medicamentos para las enfermedades cardíacas. El equipo ya ha descubierto que los cardioides pueden responder a la química de su entorno de forma muy similar a como lo hacen los corazones.

“Esto ahora es un poco espeluznante, pero lo sorprendente es que puedes estimularlos para que laten más rápido”, dice Mendjan. “Si haces estas pruebas y les agregas, por ejemplo, adrenalina, todas ellas simplemente se despiertan y luego comienzan a latir muy rápido. Y este es el mismo medicamento que usaría para sacar a un paciente de un ataque cardíaco “.

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