Un modello di pompa cardiaca in miniatura in grado di replicare il ciclo ventricolare

Nonostante gli enormi passi avanti e i progressi compiuti nello sviluppo di tessuti umani 2D/3D derivati da cellule staminali pluripotenti indotte, l’organizzazione delle cellule in vitro per ricapitolare le funzioni biomeccaniche presenti in vita, è ostacolato proprio dalla difficoltà di riproporre tali meccanismi su scala micrometrica. A partire da cellule staminali pluripotenti indotte sono stati prodotti cardiomiociti che hanno poi formato la camera cardiaca volta a mimare l’attività del ventricolo. Tramite un laser a due fotoni è stato possibile elaborare sia lo scaffold miniaturizzato che supporta la contrazione del ventricolo in vitro sia la stampa delle valvole anch’esse miniaturizzate dotate di alta sensibilità per rispondere ai cambi volumetrici del flusso cardiaco. L’integrazione tramite un circuito microfluidico delle valvole e della camera ventricolare ha permesso di ricapitolare il flusso volumetrico unidirezionale in uscita dal ventricolo e ha permesso inoltre di mostrare un ciclo completo nella dinamica di contrazione ventricolare (pressione-volume). Questo sistema ha consentito di creare un ciclo continuo di pressione/volume tanto da mimare sia la contrazione isovolumetrica del ventricolo (quando le cellule si contraggono ma la pressione non è tale da portare all’apertura delle valvole aortiche pertanto il volume rimane inalterato) e pressioni di precarico ( forza di stiramento delle fibre cardiache in fase di riempimento) e postcarico (forza che le fibre cardiache devono vincere per raggiungere l’apertura delle valvole cardiache) separate. Infatti, un altro aspetto fondamentale è la presenza di un diverso gradiente di pressione tra l’input (che simula l’ingresso venoso) e il vaso di uscita (che simula il post carico arterioso), potendo così riproporre le reali dinamiche dell’attività cardiaca ventricolare. Questo studio è solo l’inizio di un promettente futuro in cui gli studi sulla meccanica in ambito biologico, sulla robotica, sulla fisiologia, sulle scienze dei materiali si fondono per approntare nuovi sistemi su scala miniaturizzata, in grado di affrontare come mai prima le domande sul funzionamento del corpo umano e gli interrogativi sulle patologie che lo affliggono. 

Michas C, et al. Engineering a living cardiac pump on a chip using high-precision fabrication. SCIENCE ADVANCES 22 Apr 2022 Vol 8, Issue 16. DOI: 10.1126/sciadv.abm3791