Organoides cardíacos engañados con nanocables restauraron la función cardíaca en ratas

Las pequeñas gotas flotantes de minicorazones parecían sacadas directamente de Frankenstein. Hechos a partir de una mezcla de células madre humanas y una pizca de nanocables de silicio, los organoides del corazón cyborg bombeaban extrañamente a medida que crecían dentro de las placas de Petri.

Cuando se trasplantaron a ratas con lesiones cardíacas, perdieron su forma esférica, se extendieron a regiones dañadas y se conectaron con las propias células cardíacas de los huéspedes. En un mes, las ratas recuperaron gran parte de su función cardíaca.

No es ciencia ficción. Un nuevo estudio de este mes vinculó componentes eléctricos digitales con células biológicas en un organoide cyborg que, cuando se trasplantaba a modelos animales de insuficiencia cardíaca, se fusionaba y reparaba corazones vivos y palpitantes.

En el corazón (tos, juego de palabras) de la tecnología se encuentran los nanocables de silicio biodegradables eléctricamente activos. Las células del corazón sincronizan su movimiento con el ritmo de la actividad eléctrica, produciendo el ritmo estándar "ba-bump, ba-bump". Una dosis de nanocables en los organoides actuó como conductor de la sinfonía, permitiendo que los minicorazones cultivados en laboratorio se sincronizaran mejor con sus anfitriones.

En comparación con los organoides cardíacos estándar (crecidos exactamente de la misma manera pero sin el refuerzo de nanocables), los cyborg podrían tolerar mejor el ambiente químico hostil dentro del corazón después de un ataque cardíaco. También se conectaron mejor con sus anfitriones durante la recuperación, combatiendo un efecto secundario perjudicial que a menudo se observa después de lesiones cardíacas.

Por ahora, el trasplante de organoide de corazón cyborg sólo funciona en ratas. Pero es sólo un comienzo.

El corazón es un soldado. Desde el nacimiento hasta la muerte, se contrae y libera diligentemente para bombear sangre llena de oxígeno al resto del cuerpo. Es una maravilla biológica que dura fielmente más de 100 años en personas centenarias, mucho más que la mayoría de los artilugios de hardware fabricados por el hombre.

Sin embargo, el corazón también es un punto de falla. Las enfermedades cardíacas son la principal causa de muerte en todo el mundo. Una razón principal es que los cardiomiocitos (las “células musculares” del corazón que se contraen) tienen una capacidad muy limitada para regenerarse. Cuando se daña por un ataque cardíaco, el tejido cicatricial crece gradualmente alrededor de las áreas lesionadas, lo que eventualmente limita la capacidad del corazón para contraerse.

Los científicos llevan mucho tiempo intentando tratar las enfermedades cardíacas con células nuevas y sanas. Una idea popular es guiar a las células madre humanas para que se conviertan en cardiomiocitos de reemplazo. Luego, las células del músculo cardíaco fabricadas en laboratorio se inyectan en las áreas dañadas. Los científicos han probado el tratamiento en una variedad de modelos animales de enfermedades cardíacas, incluidos roedores, cerdos y primates no humanos. Pero las células sanas, cuando se enfrentaron a un entorno hostil, lucharon por sobrevivir. Aquellos que lo hicieron no pudieron recuperarse de manera confiable del daño cardíaco, lo que generó posibles problemas de arritmia (latidos cardíacos irregulares que ocurren cuando diferentes partes del corazón no pueden latir a un ritmo sincronizado).

Introduzca los organoides. Estas estructuras imitan vagamente a sus contrapartes originales tanto en sus genes como en diversos tipos de células. Cultivadas en placas de laboratorio, las masas de tejido tridimensionales se utilizan ampliamente como órganos sustitutos para probar nuevos medicamentos o proponer teorías sobre cómo funcionan las cosas dentro del cuerpo (por ejemplo, cómo reparar el daño de un ataque cardíaco). Pero también tienen el potencial de reemplazar el tejido dañado, algo que ya se está explorando para las lesiones cerebrales.

¿Funcionaría también para el corazón?

En 2017, el equipo imaginó un minicorazón, llamado organoide cardíaco, que combinaba una mezcla de diferentes tipos de células. Cuando se baten dentro de una “sopa” de receta nutritiva, las células se organizan en miniorganoides cardíacos, como una red de vasos sanguíneos que ayudan a transportar oxígeno. Sin embargo, faltaba un componente clave: la sincronía. Como una orquesta talentosa sin director, los minicorazones resultantes necesitaban un “pulso” para mantener el ritmo afinado.

Introduzca los nanocables. Imagínalos como pelo corto y áspero que te afeitas. Estos hilos de magia tecnológica están hechos de silicio que conduce la electricidad. En comparación con los nanocables anteriores basados ​​en oro o carbono, son mucho más biocompatibles y se disuelven dentro del cuerpo.

Hace aproximadamente una década, el equipo descubrió sorprendentemente que los nanocables (llamados e-SiNW) pueden hacer que los cardiomiocitos humanos derivados de células madre los incorporen a medida que las células se desarrollan en pequeñas masas. Agregar una dosis de silicio fortaleció los minicorazones resultantes, lo que permitió que las células organoides diseñadas pulsaran al ritmo eléctrico del corazón.

Como primera prueba, el equipo inyectó directamente los nanocables en los corazones de ratas sanas. 28 días después (no, no es ese tipo de historia de zombies), las ratas siguieron su camino feliz, lo que significa que los nanocables eran biocompatibles y seguros.

A continuación, hicieron una "albóndiga" con aproximadamente 1.000 células cardíacas de origen humano y una cantidad similar de nanocables, a la que se añadió una dosis considerable de células de soporte 10 días después. El minicorazón comenzó a latir dentro de una placa de Petri en sólo siete días.

Cuando se trasplantaron a ratas sanas, las albóndigas cyborg destrozaron lentamente su forma esférica, lo que sugiere que se estaban integrando en el entorno del corazón del huésped. En menos de un mes, los minicorazones (con sus nanocables) formaron múltiples conexiones eléctricas con las células cardíacas naturales del huésped.

Muestra que los organoides nanocables pueden conectarse a un corazón que late utilizando electricidad y vasos sanguíneos, dijo el equipo.

Luego vino la prueba definitiva: reparar los problemas después de un infarto. Aquí, el corazón lucha por recuperarse de la falta de sangre y oxígeno, a menudo debido a una obstrucción como un coágulo de sangre. Una vez que se elimina la obstrucción, la sangre corre por las venas y, a menudo, causa aún más daño. Un centro importante es el ventrículo izquierdo del corazón, la porción superior izquierda del órgano. Este es el "motor" del cuerpo, que bombea sangre para sustentar el resto de los tejidos. También se daña fácilmente en caso de enfermedades cardíacas y genera un ambiente local hostil para nuevos trasplantes. (Imagínese intentar plantar árboles nuevos dentro de un volcán activo que acaba de explotar).

En una prueba, el equipo inyectó directamente organoides cyborg y sus contrapartes puramente biológicas en ratas cuatro días después de un ataque cardíaco. Ambos injertos se asociaron con sus huéspedes apenas una semana después del trasplante. Los organoides con nanocables se entrelazaron con los corazones del huésped a un nivel mucho más alto, incluso alrededor de áreas muy dañadas con tejido cicatricial.

Es una señal de su "capacidad para sobrevivir en las regiones más hostiles" del corazón dañado, afirmó el equipo.

Las ratas que recibieron implantes de cyborg restauraron mucha más funcionalidad que los organoides sin los nanocables. La reconstrucción se extendió más allá del corazón mismo para ayudar a controlar la presión arterial. Al restaurar un flujo sanguíneo fluido, el trasplante "aumenta la eficacia terapéutica" de los minicorazones humanos, afirmó el equipo.

Los nanocables también hicieron que los minicorazones fueran queridos por sus anfitriones. 28 días después del tratamiento, los corazones de los anfitriones tenían mucho menos tejido cicatricial que normalmente se asocia con la insuficiencia cardíaca. Los trasplantes de cyborg funcionaron bien con el sistema inmunológico de las ratas, que generalmente se activa después de un ataque cardíaco. Las principales células inmunitarias implicadas en el proceso son los macrófagos. Estas células pueden ser demonios o ángeles, desencadenando respuestas inmunes mortales o apoyando la restauración. En comparación con los organoides sin cables, los cyborg aumentaron la porción de células inmunes "ángeles" en las zonas del injerto y del borde para ayudar a reparar la función del corazón roto.

Queda un largo camino por recorrer antes de que los resultados se traduzcan en humanos. Sin embargo, los resultados son el último impulso creativo para utilizar organoides para reparar órganos dañados. La "sinergia terapéutica" entre los nanomateriales eléctricos y los miniórganos humanos no se limita al corazón. Según los autores, se podría utilizar una estrategia similar para otros tejidos eléctricamente activos, como el músculo o el cerebro.

Crédito de la imagen: Tan et al/Science Advances