Nuovo biomateriale riproduce le proprietà meccaniche del cuore umano

Nonostante i grandi progressi nella medicina cardiovascolare, le malattie cardiache rimangono una delle principali cause di morte nel mondo. Nell’ultimo decennio il settore dell’ingegneria tissutale è cresciuto esponenzialmente e grazie ai risultati ottenuti, il ripristino della funzionalità cardiaca è oggi un obiettivo accessibile; tuttavia, sono ancora necessari nuovi materiali per fornire un intervento rapido e risultati duraturi nel tempo. In questo scenario si colloca il nuovo studio condotto dall’Istituto nazionale di ottica del Consiglio nazionale delle ricerche (Cnr-Ino), in collaborazione con l’Università di Firenze e il Laboratorio europeo di spettroscopia non lineare (Lens) e che grazie ad un approccio interdisciplinare ha reso possibile lo sviluppo di un innovativo materiale foto-responsivo, capace di riprodurre le proprietà meccaniche del cuore umano.

Combinando competenze in chimica dei materiali, ottica, fisiologia e medicina sperimentale sono stati messi a punto dei materiali innovativi e intelligenti capaci di contrarsi, una volta stimolati con la luce. Tali materiali sono stati implementati in modo da mimare la contrazione del muscolo cardiaco, con il fine di realizzarne un primo prototipo di muscolo artificiale. Il lavoro, pubblicato sulla rivista Circulation Research, ha dimostrato che questi materiali sono potenzialmente in grado di aumentare la performance contrattile del cuore. Si tratta degli elastomeri cristallini liquidi (LCE), ossia polimeri biocompatibili in grado di cambiare forma in modo reversibile e generare movimento in risposta a un dato stimolo. Una volta stimolati, gli LCE possono produrre tensione o movimento proprio come un muscolo. Finora la loro applicazione in biologia limitata da tempi di risposta lenti e una modesta possibilità di modulare i livelli di tensione durante l’attivazione.

Verso il cuore artificiale grazie ad una “palette” di LCE

Grazie ad un approccio sintetico rapido, semplice e versatile, è stata preparata e caratterizzata meccanicamente una tavolozza di LCE light-responsive a base di acrilato e biocompatibili, con diversa composizione molecolare. A questo punto è stato selezionato, tra questi, quello più conforme. Il materiale è stato in grado di contrarsi per alcune settimane, una volta attivato con intensità luminosa molto bassa all’interno di un ambiente fisiologico.

La sua contrazione è stata modulata in termini di intensità della luce, frequenza di stimolazione e rapporto ton / toff per adattarsi ai diversi cicli di ampiezza / tempo di contrazione, compresi quelli del cuore umano. Infine, le strisce di LCE sono state montate in parallelo con le trabecole cardiache ed è stata dimostrata la loro capacità di migliorare la funzione sistolica muscolare, senza impatto sulle proprietà diastoliche.

 

 

“Abbiamo progettato e sintetizzato una vera e propria “palette” di cristalli liquidi elastomerici capaci di contrarsi sotto stimolazione luminosa”, spiega Camilla Parmeggiani del Lens e Unifi. “Questi materiali sono stati caratterizzati meccanicamente come se fossero dei muscoli, con l’obbiettivo di identificare quelli con le proprietà più simili a quelle del nostro cuore.

I risultati della ricerca

I risultati sono andati oltre le aspettative. I ricercatori hanno realizzato un materiale biocompatibile che può produrre livelli di forza paragonabili o superiori a quelli del muscolo nativo, replicandone le proprietà cinematiche. Gli LCE hanno esibito una cinetica veloce e una tensione sistolica regolabile senza compromettere il rilassamento muscolare, dimostrando di essere materiali promettenti per assistere la funzione meccanica cardiaca. Insieme alla dimostrata biocompatibilità in vitro dei film LCE, questi risultati aprono la strada a una nuova generazione di dispositivi di assistenza alla contrazione basati su LCE, attraverso lo sviluppo di prototipi simili al dispositivo di assistenza ventricolare sinistra attualmente utilizzato, ma più complessi e con camere artificiali aggiuntive. Gli scienziati ritengono, infine, che tale materiale potrebbe essere utile nell’ambito della chirurgia cardiaca, ad esempio, per sostituire i muscoli papillari danneggiati o per riparare i difetti del ventricolo o del setto.

 

 

“La ricerca è estremamente importante nel contesto di numerose patologie cardiache, sia genetiche che acquisite”, conclude Cecilia Ferrantini di Unifi. “Ad esempio, dopo un infarto massivo o in presenza di una cardiomiopatia, il tessuto cardiaco viene irreversibilmente danneggiato e il cuore riduce la sua funzione di pompa. Attualmente, in casi gravi, le alternative chirurgiche a disposizione sono estremamente limitate e invasive, con il trapianto cardiaco come unica soluzione a lungo termine. Abbiamo dimostrato come questi materiali, lavorando in sostituzione o accoppiati al muscolo danneggiato, potrebbero essere impiegati in futuro per assistere efficacemente la funzione contrattile di un cuore malato”.

Applicazioni future

Le applicazioni della ricerca sono molteplici e riguardano diversi settori della medicina. Infatti, benché i materiali siano stati sviluppati per assistere la contrazione cardiaca, il loro utilizzo può essere esteso per assistere la funzione compromessa dei muscoli scheletrico e liscio, come ad esempio nel caso di distrofie muscolari, malattie neurodegenerative e lesioni spinali.