Segundo a Universidade Stanford, há mais de 100.000 pessoas em listas de espera para transplante de órgãos nos EUA, algumas das quais esperam anos para receber um transplante – e outras podem não sobreviver à espera. Mesmo com uma boa compatibilidade, existe a chance de o corpo rejeitar o órgão. Para encurtar os períodos de espera e reduzir a possibilidade de rejeição, pesquisadores em medicina regenerativa estão desenvolvendo métodos para usar as próprias células do paciente para fabricar corações, rins, fígados e outros órgãos personalizados sob demanda.
Garantir que oxigênio e nutrientes cheguem a todas as partes de um órgão recém-criado é um desafio constante. Pesquisadores de Stanford criaram novas ferramentas para projetar e imprimir em 3D as árvores vasculares incrivelmente complexas necessárias para transportar o sangue por um órgão. Sua plataforma, publicada na Science, gera designs que se assemelham ao que realmente vemos no corpo humano significativamente mais rápido do que tentativas anteriores e é capaz de traduzir esses designs em instruções para uma impressora 3D.
“A capacidade de ampliar tecidos bioimpressos é atualmente limitada pela capacidade de gerar vasculatura para eles – não é possível ampliar esses tecidos sem fornecer um suprimento sanguíneo”, disse Alison Marsden, Douglas M. e Nola Leishman Professora de Doenças Cardiovasculares, professora de pediatria e bioengenharia na Faculdade de Engenharia e Medicina de Stanford e coautora sênior do artigo. “Conseguimos fazer o algoritmo de geração da vasculatura rodar cerca de 200 vezes mais rápido do que os métodos anteriores, e podemos gerá-lo para formas complexas, como órgãos.”
Vascularização em escala de órgãos
Quando o sangue é bombeado para um órgão do corpo, ele se move de uma grande artéria para vasos sanguíneos ramificados cada vez menores, onde pode trocar gases e nutrientes com os tecidos circundantes. Na maioria dos tecidos, as células precisam estar a uma distância de um fio de cabelo 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 um milímetro. Todos esses minúsculos vasos sanguíneos eventualmente se unem novamente antes de deixar o órgão.
Essas redes vasculares não são padronizadas; os órgãos têm diversos formatos e há muita variedade, mesmo entre dois corações de tamanho semelhante. Até o momento, gerar um modelo de rede vascular realista que se ajuste a um órgão único e complexo tem sido difícil e extremamente demorado. Muitos pesquisadores têm recorrido a redes padronizadas, que funcionam bem em modelos de tecidos de engenharia de pequeno porte, mas não são facilmente dimensionáveis.
Marsden e seus colegas desenvolveram um algoritmo para criar árvores vasculares que imitam de perto as arquiteturas dos vasos sanguíneos de órgãos nativos e disponibilizaram o software para qualquer pessoa usar por meio de seu projeto de código aberto SimVascular. Eles incorporaram simulações de dinâmica de fluidos para garantir que a vasculatura distribuísse o sangue uniformemente e encurtasse com sucesso o tempo necessário para gerar a rede, evitando colisões entre os vasos sanguíneos e criando um circuito fechado com uma única entrada e saída.
“Levamos cerca de cinco horas para gerar um modelo computacional 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 mícrons de distância do vaso sanguíneo mais próximo, o que é muito bom”, disse Zachary Sexton, pesquisador de pós-doutorado no laboratório de Marsden e coautor principal do artigo. O projeto 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 sejam capazes de imprimir uma rede tão densa e em escala tão fina, os pesquisadores conseguiram projetar e imprimir um modelo vascular com 500 ramificações. Eles também testaram uma versão mais simples para garantir que ela pudesse manter as células vivas. Usando uma bioimpressora 3D, os pesquisadores criaram um anel espesso carregado com células renais embrionárias humanas e construíram uma rede de 25 vasos que o atravessavam. Eles bombearam um líquido carregado com oxigênio e nutrientes pela rede e mantiveram vivos um grande número de células próximas à rede vascular.
“Mostramos que esses vasos podem ser projetados, impressos e manter as células vivas”, disse Mark Skylar-Scott, professor assistente de bioengenharia e coautor sênior do artigo. “Sabemos que há trabalho a ser feito para acelerar a impressão, mas agora temos esse pipeline para gerar diferentes árvores vasculares de forma muito eficiente e criar um conjunto de instruções para imprimi-las.”
Um coração bioimpresso
Os pesquisadores são rápidos em notar que essas redes vasculares ainda não são vasos sanguíneos funcionais – são canais impressos através de uma matriz 3D, mas não têm células musculares, células endoteliais, fibroblastos ou qualquer outra coisa que precisariam para funcionar por conta própria.
“Este é o primeiro passo para gerar redes vasculares realmente complexas”, disse Dominic Rütsche, pesquisador de pós-doutorado no laboratório de Skylar-Scott e coautor do artigo. “Podemos imprimi-las em complexidades nunca antes vistas, mas elas ainda não são vasos totalmente fisiológicos. Estamos trabalhando nisso.”
Transformar esses designs em vasos sanguíneos funcionais é apenas um dos muitos aspectos da bioimpressão de um coração humano funcional em que Skylar-Scott e seus colegas estão trabalhando. Eles também estão explorando como estimular os menores vasos sanguíneos – aqueles que são muito pequenos ou muito próximos para serem impressos – a crescerem por conta própria, aprimorando a capacidade das bioimpressoras 3D para torná-las mais rápidas e precisas, e cultivando as enormes quantidades de células necessárias para imprimir um coração inteiro.
“Este é um passo crucial no processo”, disse Skylar-Scott. “Conseguimos gerar células cardíacas suficientes a partir de células-tronco humanas para imprimir o coração humano inteiro, e agora podemos projetar uma árvore vascular complexa e eficiente para mantê-los alimentados e vivos. Agora, estamos ativamente unindo os dois: células e vasculatura, em escala orgânica”. Para saber mais sobre o processo acesse o site.
