Ajuste magnético da pós-carga em tecidos cardíacos projetados

Pós-carga é a carga sistólica no ventrículo depois de ter começado a ejetar sangue¹. Durante o desenvolvimento cardíaco, uma pós-carga adequada é de importância crítica para a maturação de cardiomiócitos². Na idade adulta, baixos níveis de pós-carga ventricular (por exemplo, em pacientes acamados com lesão medular de alto nível³ ou em casos muito especiais como o vôo espacial⁴) podem resultar em hipotrofia do coração. Por outro lado, a alta carga posterior pode levar à hipertrofia cardíaca⁵. Embora a hipertrofia cardíaca em atletas de resistência ou gestantes seja considerada benéfica e fisiológica, a hipertrofia associada à hipertensão arterial de longo prazo ou à estenose da válvula aórtica grave é prejudicial, pois predispõe uma a arritmias cardíacas e insuficiência cardíaca⁶. Embora a taxa de mortalidade de 5 anos para pacientes com insuficiência cardíaca tenha reduzido de ~70% na década de 1980⁶ para 40-50%⁷ atualmente, ainda há uma grande necessidade de novas opções de tratamento terapêutico para esta condição altamente prevalente (atualmente 2,2% da população no mundo ocidental)⁸.

Para investigar os mecanismos moleculares da hipertrofia cardíaca patológica e testar estratégias preventivas ou terapêuticas para o tratamento dessa doença, foram desenvolvidos modelos in vivo de pós-carga^9,,10,,11,12. Embora esses modelos tenham oferecido insights benéficos sobre os efeitos da pós-carga no desempenho ventricular, eles não permitem um controle fino sobre a magnitude pós-carga. Alternativamente, estudos in vitro de pós-carga realizados em corações excisados e preparações musculares permitem um controle mais fino sobre o carregamento de tecidos, mas estes modelos não são propícios a estudos longitudinares^13,14,15.

Para superar essas questões, desenvolvemos um modelo in vitro de pós-carga elevada em tecidos cardíacos projetados (EHTs)^16,17. Este modelo é um formato de cultura tridimensional para células cardíacas de ratos embutidas em uma matriz de fibrina suspensa entre postes flexíveis de silicone oco. Esses tecidos batem espontaneamente (contra a resistência dos postes de silicone) e realizam trabalhos auxotônicos. Aumentamos a pós-carga aplicada aos EHTs por um fator de 12 em experimentos anteriores pela inserção de aparelhos metálicos rígidos nos postes de silicone ocos por uma semana. Isso levou a uma infinidade de alterações, características da hipertrofia cardíaca patológica^18,19,20: hipertrofia cardiomiocito, necroptose parcial, declínio da força contífica, o comprometimento do relaxamento tecidual, reativação do programa genético fetal, uma mudança metabólica da oxidação do ácido graxo para a glicólise anaeróbica, e um aumento da fibrose. Embora este procedimento tenha sido empregado com sucesso em vários estudos^17,21,22, tem algumas desvantagens. Existem apenas dois estados, carga posterior baixa ou muito alta (12 vezes), e o procedimento requer o manuseio manual dos EHTs, o que limita sua flexibilidade temporal e representa o risco de contaminação.

Recentemente, Leonard et al. usaram uma técnica semelhante para modular a pós-carga em EHTs cultivados em postes de silicone²³. Aparelhos de comprimentos variados foram colocados ao redor do lado de fora dos postes para restringir seu movimento de dobra. Os autores deste estudo relataram que um aumento singular de pequeno a médio aumento no desenvolvimento de força aumentada da carga e maturação de EHTs derivados do iPS humano, enquanto cargas mais altas resultaram em um estado patológico. No entanto, semelhante ao nosso próprio sistema, esta técnica só permite aumentos singulares na pós-carga, a magnitude da qual é ditada pelo comprimento das chaves. Como tal, alterações finas no pós-carga, modificações no pós-carregamento ao longo do tempo e regimes de carregamento precisos não são possíveis com essas técnicas.

Aqui, fornecemos o protocolo para um sistema que pode ser usado para modular a pós-resistência, ou seja, pós-carga de EHTs magneticamente²⁴. Esta plataforma facilita o ajuste fino do pós-carga, permite regimes de pós-carga definidos pelo usuário e garante a esterilidade EHT.