Regolazione magnetica del postcarico nei tessuti cardiaci ingegnerizzati

Il post carico è il carico sistolico sul ventricolo dopo che ha iniziato a espellere il sangue¹. Durante lo sviluppo cardiaco, un afterload appropriato è di importanza critica per la maturazione cardiomiocita². In età adulta, bassi livelli di post-carico ventricolare (ad esempio, in pazienti costretti a letto con lesioni del midollo spinale di alto livello³ o in casi molto particolari come il volo spaziale⁴⁾possono provocare ipotrofia del cuore. Al contrario, un elevato afterload può portare all’ipertrofia cardiaca⁵. Mentre l’ipertrofia cardiaca negli atleti di resistenza o nelle donne in gravidanza è considerata benefica e fisiologica, l’ipertrofia associata all’ipertensione arteriosa a lungo termine o alla grave stenosi della valvola aortica è dannosa in quanto predispone ad aritmie cardiache e insufficienza cardiaca⁶. Anche se il tasso di mortalità a 5 anni per i pazienti affetti da insufficienza cardiaca si è ridotto dal 70% negli anni ’80^{dal 6} al 40-50%⁷ attualmente, c’è ancora un grande bisogno di nuove opzioni terapeutiche per questa condizione altamente prevalente (attualmente 2,2% della popolazione nel mondo occidentale)⁸.

Al fine di studiare i meccanismi molecolari dell’ipertrofia cardiaca patologica e per testare strategie preventive o terapeutiche per il trattamento di questa malattia, sono stati sviluppati modelli in vivo di postcarico^9,10,11,12. Sebbene questi modelli abbiano offerto informazioni utili sugli effetti del postload sulle prestazioni ventricolari, non consentono un controllo preciso sulla magnitudine post-carico. In alternativa, gli studi in vitro del postcarico eseguiti su cuori eccitati e preparati muscolari consentono un controllo più preciso sul carico dei tessuti, ma questi modelli non sono favorevoli agli studi longitudinali^13,14,15.

Per superare questi problemi, abbiamo sviluppato un modello in vitro di postload elevato in tessuti cardiaci ingegnerizzati (EHT)^16,17. Questo modello è un formato di coltura tridimensionale per le cellule cardiache del ratto incorporate in una matrice di fibrina sospesa tra pali flessibili in silicone cavo. Questi tessuti battono spontaneamente (contro la resistenza dei pali in silicone) ed eseguono un lavoro auxotonico. Abbiamo aumentato il postcarico applicato agli EHT di un fattore 12 negli esperimenti precedenti mediante l’inserimento di bretelle metalliche rigide nei pali in silicone cavo per una settimana. Ciò ha portato a una moltitudine di cambiamenti, caratteristica dell’ipertrofia cardiaca patologica^18,19,20: ipertrofia cardiomiocite, necrotosi parziale, un calo della forza contrattile, il compromissione del rilassamento dei tessuti, la riattivazione del programma genico fetale, uno spostamento metabolico dall’ossidazione dell’acido grasso alla glicolisi anaerobica e un aumento della fibrosi. Anche se questa procedura è stata impiegata con successo in diversi studi^17,21,22, ha alcuni svantaggi. Ci sono solo due stati, basso o molto alto (12 volte) afterload, e la procedura richiede la gestione manuale degli EHT, che limita la sua flessibilità temporale e pone il rischio di contaminazione.

Recentemente, Leonard ealtri usato una tecnica simile per modulare postload in EHTs coltivati su pali in silicone²³. Per limitare il loro movimento di piegatura, sono state posizionate parentesi graffe di lunghezza variabile. Gli autori di questo studio hanno riferito che un singolare aumento di piccole-medie dimensioni dello sviluppo della forza avanzata del carico e della maturazione degli EH di derivazione degli iPO umani, mentre carichi più elevati hanno portato a uno stato patologico. Tuttavia, simile al nostro sistema, questa tecnica consente solo aumenti singolari nel post-caricamento, la cui grandezza è dettata dalla lunghezza delle parentesi graffe. Come tale, le alterazioni fini nel post-caricamento, le modifiche nel postload nel tempo e i regimi di caricamento precisi non sono possibili con queste tecniche.

Qui, forniamo il protocollo per un sistema che può essere utilizzato per modulare la post-resistenza, cioè, dopo il caricamento di EHT magneticamente²⁴. Questa piattaforma facilita la messa a punto del postload, abilita i regimi afterload definiti dall’utente e garantisce la sterilità EHT.