Algoritmo simplifica o design do sistema vascular para corações impressos em 3D

Existem mais de 100.000 pessoas em listas de transplante de órgãos nos EUA, algumas das quais esperarão anos para receber uma – e algumas podem não sobreviver à espera. Mesmo com uma boa partida, há uma chance de o corpo de uma pessoa rejeitar o órgão. Para reduzir os períodos de espera e reduzir a possibilidade de rejeição, os pesquisadores em medicina regenerativa estão desenvolvendo métodos para usar as próprias células de um paciente para fabricar corações personalizados, rins, fígados e outros órgãos sob demanda.

Garantir que oxigênio e os nutrientes possam atingir todas as partes de um órgão recém -cultivado é um desafio contínuo. Pesquisadores de Stanford criaram novas ferramentas para projetar e imprimem 3D as árvores vasculares incrivelmente complexas necessárias para transportar sangue por todo um órgão. Sua plataforma, publicada em 12 de junho em Ciênciagera projetos que se assemelham ao que realmente vemos no corpo humano significativamente mais rápido que as tentativas anteriores e é capaz de traduzir esses projetos em instruções para uma impressora 3D.

“The ability to scale up bioprinted tissues is currently limited by the ability to generate vasculature for them—you can’t scale up these tissues without providing a blood supply,” said Alison Marsden, the Douglas M. and Nola Leishman Professor of Cardiovascular Diseases, professor of pediatrics and of bioengineering at Stanford in the Schools of Engineering and Medicine and co-senior author on the paper. “Conseguimos fazer o algoritmo para gerar a vasculatura correndo cerca de 200 vezes mais rápido que os métodos anteriores, e podemos gerá -lo para formas complexas, como órgãos”.

Vasculatura em escala de órgãos

Quando o sangue é bombeado para um órgão no corpo, ele se move de uma grande artéria para vasos sanguíneos de ramificação cada vez menores, onde podem trocar gases e nutrientes com os tecidos circundantes. Na maioria dos tecidos, as células precisam estar dentro da largura dos cabelos de um vaso sanguíneo para sobreviver, mas em tecidos metabolicamente exigentes como o coração, a distância é ainda menor-pode haver mais de 2.500 capilares em um cubo de tamanho milímetro. Todos esses pequenos vasos sanguíneos acabaram se unindo antes de deixar o órgão.

Essas redes vasculares não são padronizadas; Os órgãos vêm em muitas formas, e há muita variedade mesmo entre dois corações de tamanho semelhante. Até este ponto, gerar um modelo de uma rede vascular realista que se encaixa em um órgão único e complexo tem sido difícil e incrivelmente demorado. Muitos pesquisadores confiaram em redes padronizadas, que funcionam bem em pequenos modelos de tecidos de engenharia, mas não se escalam bem.

Marsden e seus colegas construíram um algoritmo para criar árvores vasculares que imitam intimamente as arquiteturas de vasos sanguíneos de órgãos nativos e disponibilizaram o software para qualquer pessoa usar através de seu projeto de código aberto Simvascular. Eles incorporaram simulações de dinâmica de fluidos para garantir que a vasculatura distribua uniformemente o sangue e reduzisse com sucesso o tempo necessário para gerar a rede, enquanto ainda evitava colisões entre os vasos sanguíneos e criando um loop fechado com uma única entrada e saída.

“Demorou cerca de cinco horas para gerar um modelo de computador de uma árvore para vascularizar um coração humano. Conseguimos chegar a uma densidade em que qualquer célula no modelo estaria a cerca de 100 a 150 microns do vaso sanguíneo mais próximo, o que é muito bom”, disse Zachary Sexton, um estudioso de pós-doutorado no laboratório de Marsden’s e co-feitiçaria no artigo. O design continha um milhão de vasos sanguíneos. “Essa tarefa não havia sido realizada antes e provavelmente levaria meses com algoritmos anteriores”.

Embora as impressoras 3D ainda não estejam à tarefa de imprimir uma rede de escala tão fina e densa, os pesquisadores conseguiram projetar e imprimir um modelo vascular com 500 ramos. Eles também testaram uma versão mais simples para garantir que ela pudesse manter as células vivas.

Usando um bioprenter 3D – que impressões com células vivas em vez de resina ou metal – os pesquisadores criaram um anel espesso carregado com células renais embrionárias humanas e construíram uma rede de 25 navios que passam por ele. Eles bombearam um líquido carregado com oxigênio e nutrientes através da rede e mantiveram com sucesso um alto número de células próximas à rede vascular viva.

“Mostramos que esses navios podem ser projetados, impressos e podem manter as células vivas”, disse Mark Skylar-Scott, professor assistente de bioengenharia e co-senior autor no jornal. “Sabemos que há trabalho a fazer para acelerar a impressão, mas agora temos esse pipeline para gerar diferentes árvores vasculares com muita eficiência e criar um conjunto de instruções para imprimi -las”.

Um coração bioprinha

Os pesquisadores são rápidos em observar que essas redes vasculares ainda não são vasos sanguíneos funcionais – eles são canais impressos através de uma matriz 3D, mas não têm células musculares, células endoteliais, fibroblastos ou qualquer outra coisa que precisariam trabalhar por conta própria.

“Este é o primeiro passo para gerar redes vasculares realmente complexas”, disse Dominic Rütsche, um estudioso de pós-doutorado no laboratório de Skylar-Scott e co-primeiro autor no artigo. “Podemos imprimi-los em complexidades nunca vistas antes, mas elas ainda não são totalmente fisiológicas. Estamos trabalhando nisso”.

Transformar esses projetos em vasos sanguíneos em funcionamento é apenas um dos muitos aspectos da bioprinting de um coração humano em funcionamento no qual Skylar-Scott e seus colegas estão trabalhando. Eles também estão explorando como incentivar os minúsculos vasos sanguíneos – aqueles que são pequenos ou muito espaçados para imprimir – para crescer por conta própria, melhorando as capacidades dos bioprinters 3D para torná -los mais rápidos e precisos e aumentando as grandes quantidades de células que precisam imprimir um coração inteiro.

“Este é um passo crítico no processo”, disse Skylar-Scott. “Geramos com sucesso células cardíacas suficientes das células -tronco humanas para imprimir todo o coração humano, e agora podemos projetar uma árvore vascular boa e complexa para mantê -las alimentadas e vivas. Agora estamos juntando ativamente os dois: células e vasculatura, em escala de órgãos”.