Negli ultimi anni, gli scienziati hanno utilizzato modelli di tessuto biomimetico per studiare le malattie e lo sviluppo nel corpo umano. Il cuore, tuttavia, è un caso a parte. Anche se i progressi nella ricerca sulle cellule staminali ora rendono più facile la crescita del tessuto cardiaco, replicare un cuore umano funzionante con tutte le sue componenti in un laboratorio rimane complicato.
Per colmare questa lacuna, dei ricercatori hanno sviluppato una replica in miniatura di una camera cardiaca. Il dispositivo, chiamato Miniaturized Precision-enabled Unidirectional Microfluidic Pump (miniPUMP), comprende un’impalcatura cilindrica cava, microscopica e costruita utilizzando la stampa 3D di precisione. Il dispositivo imita la camera cardiaca inferiore replicando la funzione del ventricolo di un vero cuore, pompando acqua attraverso se stesso nello stesso modo in cui un vero cuore pompa sangue e, come in un cuore vero, il tessuto batte spontaneamente.
Il chip in questione è un chip microfluidico rivestito con cellule umane viventi. Il team ha utilizzato una tecnica di stampa 3D chiamata scrittura laser diretta a due fotoni, in cui una resina liquida biocompatibile si solidifica a contatto con il laser.
Nel video (Credits: from Michas et al., Sci. Adv. 8, eabm3791 (2022)) si vede a sinistra una camera della miniPUMP che batte grazie alla contrazione del tessuto cardiaco. Quando il tessuto batte, espelle il fluido dalla camera (a destra), proprio come un cuore umano pompa il sangue.
La fabbricazione di precisione è stata cruciale dato che molti dei componenti della miniPUMP sono più piccoli di una particella di polvere e il tutto è più piccolo di un francobollo, infatti misura solo 3 cm2.
Una delle maggiori sfide è stata la replicazione della funzione di pompaggio del cuore. Seguita dal fatto che il fluido deve fluire in modo direzionale, proprio come fa nel cuore. Gli scaffolds ingegnerizzati e la stampa 3D hanno permesso la risoluzione di queste problematiche, infatti la miniPUMP ha continuato a battere in laboratorio per tre settimane ed i ricercatori sono abbastanza fiduciosi che durerà per mesi.
Il dispositivo è costituito da una base di plastica, su cui sono montate minuscole valvole acriliche stampate in 3D, tubi e la pompa stessa.
La pompa incorpora uno scaffolds composto da una serie di spirali acriliche concentriche collegate e questo è seminato con cardiomiociti umani vivi (cellule del muscolo cardiaco). Mentre le cellule seminate si espandono e si contraggono all’unisono, lo scaffolds essendo flessibile si muove con loro, pompando acqua attraverso la miniPUMP.
I cardiomiociti possono essere ottenuti partendo da cellule della pelle, cellule del sangue o praticamente qualsiasi altro tipo di cellule facilmente accessibili. Queste vengono riprogrammate in cellule staminali ed, in seguito, vengono spinte a differenziarsi in cellule cardiache. Ciò significa che i pazienti potrebbero avere miniPUMP fatte dalle proprie cellule per vedere come diversi farmaci potrebbero influenzare specificamente il loro cuore.
Oltre alla comodità di avere modelli di organi ridimensionati per la ricerca, la miniaturizzazione del dispositivo ha ulteriori vantaggi. In primo luogo, non utilizza molte cellule staminali ed in secondo luogo la mini camera cardiaca è compatibile con altre tecnologie organ-on-a-chip che si stanno sviluppando.
A livello concreto, offre agli scienziati l’opportunità di studiare il cuore e testare l’efficacia delle terapie senza rischi per i pazienti umani. Un’altra possibilità è nello sviluppo di terapie avanzate, come le terapie geniche.
Il progetto miniPUMP fa parte di CELL-MET, un centro di ricerca ingegneristica finanziato dalla National Science Foundation che esplora i materiali cellulari. Si spera che la stessa tecnologia possa un giorno essere utilizzata per produrre altri dispositivi organ-on-a-chip, come polmoni e reni.
