Para evitar la necesidad de cirugías repetidas, los científicos están desarrollando válvulas cardíacas artificiales permanentes a partir de tejido regenerado.

El corazón es un órgano increíble. A través de un esfuerzo coordinado, las cuatro cámaras del corazón y las válvulas de conexión trabajan juntas para regular el flujo sanguíneo y hacer circular el oxígeno y los nutrientes por todo el cuerpo.

“Es fascinante aprender sobre esto. [heart valves’] Propiedades equilibradas que les permiten soportar millones de ciclos de apertura y cierre a lo largo de su vida”, dice Petra Mela, profesora de la Facultad de Ingeniería Mecánica de la Universidad Técnica de Múnich. “¿Cómo pueden lograr esto las válvulas cardíacas nativas? ¿De qué tipo de material están hechos para cumplir tan perfectamente con estas propiedades excepcionales?

Mela y su colaboradora Elena De-Juan-Pardo del Instituto de Investigación Médica Harry Perkins y la Universidad de Australia Occidental han desarrollado un medio para crear válvulas cardíacas artificiales derivadas de las propias células del paciente que van más allá de una mera prótesis artificial.

«El principal impulsor para nosotros es el impacto potencial de nuestro trabajo en los pacientes de todo el mundo», dijo De-Juan-Pardo. «La enfermedad de las válvulas es la tercera causa principal de enfermedad cardiovascular, que es la principal causa de muerte en todo el mundo».

Cuando la reparación de una válvula defectuosa no es posible, el estándar actual de atención implica la implantación de una válvula protésica. “Lo ideal es que la prótesis permanezca en el paciente de por vida”, dice De-Juan-Pardo. «Pero esta válvula solo durará un número limitado de años».

Esto significa que los pacientes pueden tener que someterse a múltiples cirugías a medida que las válvulas artificiales se desgastan o, en el caso de los pacientes pediátricos, se requieren válvulas nuevas para ajustar el tamaño de la válvula a su cuerpo en crecimiento. Las válvulas cardíacas mecánicas y biológicas disponibles son intrínsecamente incapaces de remodelarse y crecer con el niño, dicen los investigadores.

“Estamos comprometidos a resolver estos problemas llevando los últimos avances tecnológicos en impresión 3D al siguiente nivel para crear válvulas cardíacas artificiales que puedan crecer y remodelarse con el paciente y ofrecer un enfoque regenerativo, en contraste con un implante permanente que no es inherentemente capaz de adaptarse”, dijo Mela.

En su estudio publicado en Materiales funcionales avanzadosMela, De-Juan-Pardo y sus equipos utilizaron una técnica de impresión 3D llamada electroescritura fundida para crear implantes de válvulas cardíacas con una heterogeneidad estructural de inspiración biológica, potencialmente dotados de la capacidad de crecer con el paciente.

«La electroescritura por fusión se presta muy bien a la ingeniería de tejidos porque nos permite organizar de manera exquisita la deposición de las fibras en patrones complejos», dijo De-Juan-Pardo. «De esta manera, podemos imitar la alineación de algunos componentes estructurales que se ven en los tejidos blandos, en este caso, la válvula cardíaca aórtica».

A diferencia de la impresión 3D tradicional, la electroescritura fundida combina un campo eléctrico aplicado, temperatura y presión para crear un chorro cargado de polímero fundido. Esto permite a los investigadores colocar microfibras, que tienen aproximadamente 1/10 del grosor de un cabello humano, en un patrón predefinido con una precisión increíble. “El resultado son estructuras con excelentes propiedades”, añade Mela.

El desafío, dijo el equipo, era crear un andamio que pudiera resistir las exigentes funciones de una válvula cardíaca mientras permanecía lo suficientemente poroso para que las propias células del paciente colonizaran el andamio y prosperaran.

«De hecho, las propiedades estructurales subóptimas de los andamios fibrosos densos siguen siendo un problema importante en la actualidad, lo que pone en peligro su potencial clínico», dijo Mela. «Al aprovechar la precisión excepcional de la electroescritura de fusión y una plataforma digital diseñada a medida, estamos demostrando una prueba de concepto innovadora para una construcción de válvula cardíaca completa lista para usar que podría expandirse a otras aplicaciones de ingeniería de tejidos blandos. «

La plataforma digital del equipo está diseñada para producir patrones complejos que imitan las diversas estructuras de tejido observadas en toda la válvula cardíaca, que luego se ensamblan utilizando andamios de hidrogel microporoso. «Juntos, estos proporcionan tanto la integridad estructural necesaria para soportar condiciones exigentes de estrés cardiovascular como la porosidad adecuada para permitir la infiltración celular», agregó De-Juan-Pardo. «El resultado es una construcción de válvula cardíaca tubular única que se beneficia de ambas clases de andamios».

Para probar las capacidades de sus válvulas cardíacas artificiales, los investigadores crearon una réplica del sistema circulatorio y lo sometieron a la misma presión y caudal que experimentaría una válvula cardíaca natural. Los resultados fueron alentadores, mostrando un excelente desempeño bajo una variedad de condiciones y cumpliendo con los estándares de la industria.

Se requieren más pruebas antes de que las construcciones de válvulas cardíacas puedan usarse en un entorno clínico. Después de asegurarse de que el material es lo suficientemente duradero, se prueba en modelos animales en un entorno preclínico. «Los principales desafíos aquí serán comprender y optimizar el método de implantación, analizando la respuesta biológica provocada por la válvula y su funcionalidad hemodinámica a lo largo del tiempo en animales grandes», dijo Mela. «Después de estudios exitosos en animales a largo plazo, podríamos comenzar los preparativos para los primeros ensayos clínicos en humanos antes de pasar a tratar a los pacientes de forma regular».

Referencia: Navid Toosi Saidy, et al., Andamios tubulares espacialmente heterogéneos para ingeniería tisular in situ de válvulas cardíacas mediante electroescritura por fusión, Materiales Funcionales Avanzados (2022). DOI: 10.1002/adfm.202110716

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