N.52 – Mapeo, taxonomía e ingeniería de tejidos cardíacos

La presente reseña incluye dos artículos. En el primero (1) se relata un estudio que condujo a la obtención del mapeo y taxonomía más detallados, hasta hoy, del tejido cardíaco. El segundo (2), enmarcado en la ingeniería del tejido cardíaco, se refiere a la constitución de una “biotinta” apta para la impresión tridimensional de organoides con cámaras electromecánicamente funcionales con músculo cardíaco contiguo.

El primer artٌiculo (1) se refiere a un estudio internacional dirigido por el Laboratorio de Cardiología de Precisión del Instituto Broad de la Universidad de Harvard y el Instituto de Tecnología de Massachusets, en colaboración con la empresa Bayer, que resultó en el mapa más detallado del corazón hasta la fecha. A partir de análisis de ARN de casi 300.000 células individuales los investigadores pudieron determinar la diversidad celular del corazón y obtuvieron información relevante para el desarrollo de tratamientos para las enfermedades cardiovasculares.

El corazón es un órgano complejo, en el que miles de células de distintos tipos trabajan coordinadamente para bombear la sangre y hacerla llegar a todo el organismo. Las células mejor conocidas son las musculares especializadas (los cardiomiocitos), pero el tejido cardíaco incluye también fibroblastos, células endoteliales y células nerviosas que colaboran estrechamente con los cardiomiocitos para el funcionamiento del corazón. El objetivo principal del estudio, fue obtener un mayor conocimiento del intrincado medio celular del corazón para una mejor comprensión de la homeostasis y la patología cardíacas.

La identidad de una célula está marcada, en gran medida, por los genes que tiene activos e inactivos, lo que puede ser determinado a través del análisis de su ARN. Como los recientes avances en la secuenciación de ARN permiten definir transcriptomas celulares a escala de resolución de célula individual, se aplicaron esos enfoques para evaluar la diversidad celular y transcripcional del corazón humano. Los investigadores secuenciaron los transcriptomas (conjunto de moléculas de ARN) presentes en cada una de las 287.269 células procedentes de las cuatro cámaras del corazón humano, con el fin de recopilar su diversidad celular.

A partir de los perfiles de genes activos e inactivos se identificaron 9 tipos principales de células en el corazón humano y más de 20 subclases de tipos celulares. Las subclases celulares incluyen dos grupos distintos de macrófagos residentes, cuatro subtipos endoteliales y dos subconjuntos de fibroblastos. Las comparaciones de transcriptomas celulares por cámara cardíaca o sexo revelan diversidad no solo en los programas de transcripción de cardiomiocitos, sino también en subtipos involucrados en la remodelación y vascularización de la matriz extracelular. Usando datos de asociación genética, se identificó un fuerte enriquecimiento para el papel de los subtipos celulares en los rasgos y enfermedades cardíacas. Finalmente, la intersección del conjunto de datos con los genes en los paneles de pruebas clínicas cardíacas y el genoma farmacológico reveló sorprendentes patrones de especificidad celular. Pudo así caracterizarse la diversidad de cardiomiocitos y fibroblastos (las células más abundantes), así como la de las células endoteliales y diferentes tipos de células inmunitarias o nerviosas. Se verificó que los cardiomiocitos son las células que muestran mayores diferencias entre sí y que tales diferencias se producen principalmente entre cámaras (aurículas y ventrículos), y no entre ambos lados del corazón.

Para contribuir a mejorar el conocimiento sobre cómo se producen las enfermedades cardíacas, se combinaron los datos de secuenciación del ARN con la información genética obtenida en estudios de asociación de características metabólicas. Ello permitió identificar los tipos celulares más relevantes para algunas patologías cardíacas. Con el propósito de identificar oportunidades para el desarrollo de tratamientos, se rastreó también qué genes relacionados con fármacos muestran actividad preferente en los diferentes tipos celulares cardíacos. Por el momento, “la identificación de subtipos celulares discretos y genes expresados de forma diferencial en el corazón facilitará el desarrollo de nuevas terapias para las enfermedades cardiovasculares” concluyen los autores.

El segundo artículo (2) se refiere a un estudio de ingeniería del tejido cardíaco para generar in vitro un agente de bombeo que pueda reemplazar a los modelos animales y, eventualmente, servir como herramienta terapéutica apta para seres humanos vivos. Se señala que hoy pueden lograrse -mediante bioimpresión tridimensional con biomateriales blandos- modelos que replican la compleja estructura geométrica del corazón, pero aún no se ha logrado incluir músculo vivo para ejecutar la función de bombeo. Ello se debe, en gran parte, a la dificultad para alcanzar altas densidades de cardiomiocitos, un tipo de célula notoriamente no proliferativa. Una estrategia alternativa consiste en imprimir con células madre pluripotentes humanas, que pueden proliferar a altas densidades y llenar espacios de tejido, y posteriormente diferenciarlas en cardiomiocitos in situ.

El estudio aquí reseñado –de investigadores de la Universidad de Minnesota- se refiere a la impresión en 3D de una bomba cardíaca -que funciona en laboratorio- constituida por células humanas. El objetivo del estudio fue desarrollar una biotinta apta para promover la proliferación de células madre pluripotentes inducidas humanas y la diferenciación de cardiomiocitos para la impresión tridimensional de organoides con cámaras electromecánicamente funcionales con músculo cardíaco contiguo.

Con tal finalidad el equipo optimizó una formulación de biotinta foto-reticulable constituida con proteínas de matriz extracelular (ECM) nativas y la combinó con células madre humanas pluripotentes. Luego usaron las celdas de tinta para imprimir en 3D la estructura con 2 cámaras y una entrada y salida de vasos. Esto dio como resultado que las células madre pluripotentes proliferaron y alcanzaron una densidad suficiente, se diferenciaron dentro de la estructura y luego se conformaron en células del músculo cardíaco. Las bombas musculares con cámaras mostraron latidos a macroescala y propagación potencial de acción continua con capacidad de respuesta a drogas y estimulación. Las cámaras conectadas permitieron la perfusión y la replicación de las relaciones presión / volumen fundamentales para el estudio de la función cardíaca y la remodelación con salud y enfermedad.

Los investigadores pudieron imprimir en 3D las células del músculo cardíaco de manera que éstas pudieran diferenciarse, organizarse y trabajar juntas. Por ahora, el modelo de músculo cardíaco mide solo 1,5 centímetros de largo. Fue diseñado para implantarse en un ratón para futuros estudios de la función cardíaca. El modelo permite rastrear qué sucede a nivel celular y molecular en la estructura de la bomba que comienza a aproximarse al corazón humano.

Este avance representa un relevante paso hacia la generación de tejidos a macroescala, similares a los organoides basados en agregados, pero con la ventaja de albergar estructuras geométricas esenciales para la función de bombeo del músculo cardíaco. Mirando hacia el futuro, los organoides de este tipo también podrían servir como banco de pruebas para dispositivos médicos cardíacos y eventualmente conducir a injertos de tejido terapéutico.