Tissue engineering: How to build a heart

Doris Taylor não considera isso um insulto quando lhe chamam Dr. Frankenstein. “Na verdade, foi um dos maiores elogios que recebi”, diz ela — uma afirmação de que sua pesquisa está ultrapassando os limites do possível. Dada a natureza de seu trabalho como diretor de pesquisa de Medicina Regenerativa no Texas Heart Institute em Houston, Taylor tem que admitir que a comparação é adequada. Ela regularmente recolhe órgãos como corações e pulmões dos recém-mortos, re-engendra-os a partir das células e tenta trazê-los de volta à vida na esperança de que eles possam bater ou respirar novamente nos vivos.

Taylor está na vanguarda de pesquisadores que procuram criar novos órgãos inteiros, para permitir transplantes sem o risco de rejeição pelo sistema imunológico do receptor. Em princípio, a estratégia é suficientemente simples. Em primeiro lugar, remova todas as células de um órgão morto — nem sequer tem de ser de um ser humano — e, em seguida, pegue no andaime proteico deixado para trás e repovule-o com células estaminais imunologicamente correspondentes ao paciente em necessidade. Voilà! A escassez incapacitante de órgãos transplantáveis em todo o mundo está resolvida.

na prática, no entanto, o processo está cheio de desafios tremendos. Os pesquisadores têm tido algum sucesso com o crescimento e transplante de oca, relativamente simples, órgãos como tracheas e bexigas (ver go.nature.com/zvuxed). Mas crescente de órgãos sólidos, tais como rins ou pulmões significa a obtenção de dezenas de tipos de células em exatamente as posições certas, e simultaneamente crescendo completa redes de vasos sanguíneos para mantê-los vivos. Os novos órgãos devem ser estéreis, capazes de crescer se o paciente é jovem, e pelo menos nominalmente capazes de se reparar. Mais importante, eles têm que trabalhar — idealmente, para uma vida inteira. O coração é o terceiro órgão mais necessário após o rim e o fígado, com uma lista de espera de cerca de 3.500 apenas nos Estados Unidos, mas coloca desafios adicionais para o transplante e bioengenharia. O coração deve bater constantemente para bombear cerca de 7.000 litros de sangue por dia sem um backup. Tem câmaras e válvulas construídas a partir de vários tipos diferentes de células musculares especializadas chamadas cardiomiócitos. E os corações dos doadores são raros, porque são muitas vezes danificados por doenças ou esforços de ressuscitação, então um fornecimento constante de órgãos bioengineered seria bem-vindo.

Taylor, que liderou alguns dos primeiros experimentos bem sucedidos para construir Hearts de ratos, está otimista sobre este desafio final em Engenharia de tecidos. “Eu acho que é eminentemente realizável”, ela diz, acrescentando rapidamente, ” eu não acho que é simples.”Alguns colegas são menos otimistas. Paolo Macchiarini, uma torácico, cirurgião e cientista do Instituto Karolinska, em Estocolmo, que tem transplantadas bioengineered tracheas em vários pacientes, diz que, embora a engenharia de tecidos poderia tornar-se rotina para a substituição de estruturas tubulares, tais como windpipes, artérias e oesophagi, ele não é “confiante de que isso vai acontecer com mais complexo de órgãos”.No entanto, o esforço pode valer a pena mesmo que falhe, diz Alejandro Soto-Gutiérrez, pesquisador e cirurgião da Universidade de Pittsburgh, na Pensilvânia. “Além do sonho de fazer órgãos para transplantação, há muitas coisas que podemos aprender com esses sistemas”, diz ele — incluindo uma melhor compreensão básica da organização celular no coração e novas ideias sobre como consertar um.

NIK SPENCER / natureza

o andaime

por mais de uma década, biólogos têm sido capazes de transformar células estaminais embrionárias em células do músculo cardíaco batendo em um prato. Com um pouco de pacemaking elétrico do lado de fora, estas células cardíacas projetadas até cair em passo e manter o ritmo síncrono durante horas.

mas começar de bolhas twitching em uma placa de Petri para um coração de trabalho exige um andaime para organizar as células em três dimensões. Os pesquisadores podem finalmente ser capazes de criar tais estruturas com impressão tridimensional-como foi demonstrado no início deste ano com uma traqueia artificial 2 (ver natureza http://doi.org/m2q; 2013). No futuro previsível, porém, a complexa estrutura do coração humano está além do alcance das máquinas mais sofisticadas. Isto é particularmente verdade para as complexas redes de capilares que devem fornecer ao coração oxigênio e nutrientes e remover os resíduos de dentro de seus tecidos. “Vascularity is the major challenge”, diz Anthony Atala, um urologista da Wake Forest University em Winston-Salem, Carolina do Norte, que implantou bexigas bioenginas em patients3 e está trabalhando na construção de rins (ver natureza http://doi.org/dw856h; 2006).

as técnicas líderes para futuros construtores de coração geralmente envolvem reutilizar o que a biologia já criou. Um bom lugar para ver como isso é feito é o Hospital Geral de Massachusetts, em Boston, onde Harald Ott, um cirurgião e regenerativa-medicina pesquisador, demonstra um método que ele desenvolveu enquanto que a formação em Taylor, em meados da década de 2000.

Suspensa por tubos de plástico em um tambor em forma de câmara feita de vidro e plástico é um doce coração humano. Perto está uma bomba que está calmamente empurrando detergente através de um tubo que corre para a aorta do coração. O fluxo força a válvula aórtica fechada e envia o detergente através da rede de vasos sanguíneos que alimentaram o músculo até que seu proprietário morreu alguns dias antes. Ao longo de cerca de uma semana, explica Ott, este fluxo de detergentes tira de distância lipídios, DNA, proteínas solúveis, açúcares e quase todos os outros material celular do coração, deixando apenas uma pálida malha de colágeno, laminins e outras proteínas estruturais: a ‘matriz extracelular’ que uma vez realizado o órgão juntos.

o coração do andaime não tem de ser humano. Os suínos são promissores.: eles carregam todos os componentes cruciais da matriz extracelular, mas é improvável que carreguem doenças humanas. E seus corações raramente são enfraquecidos por doenças ou esforços de ressuscitação. “Os tecidos de porco são muito mais seguros do que os humanos e há um suprimento ilimitado”, diz Stephen Badylak, um pesquisador de Medicina Regenerativa na Universidade de Pittsburgh.

a parte complicada, diz Ott, é garantir que o detergente dissolva apenas a quantidade certa de material. Retire-se muito pouco, e a matriz pode reter algumas das moléculas da superfície celular que podem levar à rejeição pelo sistema imunitário do receptor. Retire demasiado, e pode perder proteínas vitais e factores de crescimento que dizem às células recém-introduzidas onde aderir e como se comportar. “Se você pode usar um agente mais suave e um período de tempo mais curto, você obtém mais de uma resposta remodeladora”, diz Thomas Gilbert, que estuda a descelularização na Acil, uma empresa em Columbia, Maryland, que produz produtos de matriz extracelular para a medicina regenerativa.Através de tentativas e erros, aumentando a concentração, tempo e pressão dos detergentes, os pesquisadores refinaram o processo de descellularização em centenas de corações e outros órgãos. É provavelmente a fase mais desenvolvida da empresa geradora de órgãos, mas é apenas o primeiro passo. Em seguida, o andaime precisa ser repovoado com células humanas.

as células

“Recellularização” introduz outra série de desafios, diz Jason Wertheim, um cirurgião na Escola de Medicina de Feinberg da Universidade Northwestern em Chicago, Illinois. “Primeiro, que células usamos? Duas, quantas células usamos? E terceiro, devem ser células maduras, células estaminais embrionárias, células iPS? Qual é a melhor fonte de células?”

usar células maduras é difícil dizer o mínimo, diz Taylor. “Não se consegue que os cardiócitos adultos proliferem”, diz ela. “Se pudesses, não estaríamos a ter esta conversa, porque os corações danificados podiam reparar-se e não haveria necessidade de transplantes.

a maioria dos investigadores no campo usam uma mistura de dois ou mais tipos de células, tais como células precursoras endoteliais para Linear vasos sanguíneos e progenitores musculares para semear as paredes das câmaras. A Ott tem vindo a derivá — las de células iPS-células adultas reprogramadas para um estado embrionário-como células estaminais usando fatores de crescimento-porque estas podem ser retiradas de um paciente em necessidade e usadas para fazer tecidos imunologicamente correspondentes.

em princípio, a abordagem das células iPS poderia fornecer ao novo coração o seu conjunto completo de tipos de células, incluindo células vasculares e várias variedades de células do músculo cardíaco. Mas, na prática, tem os seus próprios problemas. Um é o tamanho de um coração humano. Os números estão seriamente subestimados, diz Ott. “Uma coisa é fazer um milhão de células; outra é fazer 100 milhões ou 50 bilhões de células.”E os pesquisadores não sabem se os tipos de células certas vão crescer quando as células iPS são usadas para recapitular o desenvolvimento embrionário em um andaime de coração adulto.

OTT LAB / MASSACHUSETTS GENERAL HOSPITAL

um coração humano descellularizado aguarda reconstrução com uma injecção de células precursoras.

à medida que colonizam o andaime, algumas das células imaturas vão se enraizar e começar a crescer. Mas incitá-los a tornarem-se funcionais, bater os cardiomiócitos requer mais do que apenas meios oxigenados e factores de crescimento. “As células sentem o seu ambiente”, diz Angela Panoskaltsis-Mortari, que tem tentado construir pulmões para transplante na Universidade de Minnesota, em Minneapolis. “Eles não sentem apenas os factores. Eles sentem a rigidez e o estresse mecânico,” que por sua vez empurra as células para baixo de seu próprio caminho de desenvolvimento.

assim, os pesquisadores devem colocar o coração em um biorreator que imita a sensação de bater. Os biorreactores da Ott utilizam uma combinação de sinais elétricos — semelhante a um pacemaker — para ajudar a sincronizar os cardiomiócitos pulsantes semeados no andaime, combinados com movimentos de batimentos físicos induzidos por uma bomba (ver “órgãos personalizados”). Mas os pesquisadores enfrentam uma batalha constante ao tentar imitar as condições presentes no corpo humano, tais como mudanças na frequência cardíaca e pressão arterial, ou a presença de drogas. “O corpo reage às coisas e muda as condições tão rapidamente que provavelmente é impossível imitar isso em um biorreator”, diz Badylak.

quando Taylor e Ott começaram a desenvolver biorreactores, para corações de ratos decellullarizados e repovoados, tiveram de aprender à medida que iam avançando. “Havia muita fita adesiva no laboratório”, diz Ott. Mas, eventualmente, os corações foram capazes de bater por conta própria após oito a dez dias no biorreator, produzindo cerca de 2% da capacidade de bombeamento de um coração de rato adulto normal1. Taylor diz que desde então ela tem corações de ratos e mamíferos maiores para bombear com até 25% da capacidade normal, embora ela ainda não publicou os dados. Ela e a Ott estão confiantes de que estão no caminho certo.

a batida

o desafio final é um dos mais difíceis: colocar um coração recém-crescido e projetado em um animal vivo, e mantê-lo batendo por um longo tempo.

a integridade da vasculatura é a primeira barreira. Qualquer pedaço de matriz nua serve como um terreno fértil para coágulos que podem ser fatais para o órgão ou para o animal. “Você vai precisar de um endotélio bastante intacto em todos os vasos ou você vai ter coágulos ou vazamentos”, diz Gilbert.

Ott tem demonstrado que órgãos projetados podem sobreviver por um tempo. Seu grupo transplantou um único pulmão bioengenhado em um rato, mostrando que ele poderia suportar a troca de gás para o animal, mas o espaço aéreo rapidamente preenchido com fluids4. E um transplante de rim de rato projetado que o grupo Ott relatou no início deste ano sobreviveu sem coagulação, mas tinha apenas a capacidade mínima de filtrar urina, provavelmente porque o processo não tinha produzido o suficiente dos tipos de células necessárias pelo kidney5 (ver natureza http://doi.org/m2r; 2013). A equipe da Ott e outros implantaram corações reconstruídos em ratos, geralmente no pescoço, no abdômen ou ao lado do próprio coração do animal. Mas embora os pesquisadores possam alimentar os órgãos com sangue e fazê-los bater por um tempo, nenhum dos corações tem sido capaz de suportar a função de bombeamento de sangue. Os pesquisadores precisam mostrar que um coração tem uma capacidade muito maior de funcionar antes que eles possam transplantá-lo em um animal maior do que um rato.

com o coração, diz Badylak, “você tem que começar com algo que pode funcionar muito bem” a partir do momento em que o transplante está no lugar. “Você não pode ter algo bombeando apenas 1, 2 ou 5% da fração de ejeção do coração normal e esperar fazer a diferença”, diz ele, referindo-se a uma medida comum de eficiência de bombeamento. Há pouco espaço para erros. “Estamos apenas a dar passos de bebé”, diz Panoskaltsis-Mortari. “Estamos onde as pessoas estavam com transplante de coração há décadas.”

o processo de descellularização que está sendo cultivado pela Ott e outros já está informando o desenvolvimento de válvulas à base de tecidos melhorados e outras partes do coração e outros órgãos. Uma válvula Bioengenharia, por exemplo, pode durar mais tempo do que as válvulas de tecido mecânico ou morto, porque eles têm o potencial de crescer com um paciente e se reparar. E outros órgãos podem não precisar ser substituídos inteiramente. “Eu ficaria surpreso se nos próximos 5-7 Anos você não vê o paciente implantado com pelo menos parte de uma artéria, lóbulos de um pulmão, lóbulos de um fígado”, diz Badylak.

Taylor suspeita que abordagens parciais poderiam ajudar os pacientes com defeitos cardíacos graves, como síndrome do coração esquerdo hipoplástico, em que metade do coração está gravemente subdesenvolvido. Restaurando a outra metade, “essencialmente força você a construir a maioria das coisas que você precisa”, diz ela.

e estes esforços poderiam ter lições para o desenvolvimento de terapias celulares entregues ao coração. Os investigadores estão a aprender, por exemplo, como as células cardíacas se desenvolvem e funcionam em três dimensões. No futuro, Andaimes parciais, sintéticos ou de cadáveres, poderiam permitir que novas células povoassem áreas danificadas de corações e as reparassem como remendos.

os frascos de órgãos flutuantes fantasmagóricos podem parecer um eco horrível da história de Frankenstein, mas Taylor diz que seu trabalho é um trabalho de amor. “Há dias em que penso: ‘Oh meu Deus, em que me meti? Por outro lado, basta um miúdo ligar-te a dizer: “podes ajudar a minha mãe?” e faz tudo valer a pena.”