Analisi della risposta ai farmaci per costrutti cardiaci senza impalcature fabbricati usando una stampante bio-3D

Test di risposta ai farmaci: bioprinting di strutture cardiache senza impalcature

I ricercatori si sono riuniti per apportare miglioramenti alla medicina cardiaca, rilasciando i dettagli di un recente studio in ” Analisi della risposta ai farmaci per costrutti cardiaci senza impalcature fabbricati usando una stampante bio-3D “. Agendo su ricerche precedenti che hanno prodotto costrutti cardiaci tubolari bioprinted, gli scienziati hanno ora continuato il loro lavoro per creare una tecnica per valutare la forza contrattile e la risposta ai farmaci.

Mentre si sforzano di eliminare la necessità di test sugli animali o studi clinici, i ricercatori si rendono conto del requisito continuo di misurare gli effetti dei farmaci sull’uomo, affermando che “comprendere la risposta del cuore al farmaco è essenziale per lo sviluppo di nuovi farmaci”.

In molti casi, i test richiedono tempi e spese sostanziali e possono anche nuocere alla salute di coloro che partecipano agli studi. Lo sviluppo di costrutti cardiaci senza ponteggi ha consentito una valutazione completa e accurata della risposta farmacologica.

Processo di stampa bio-3D e risposta farmacologica di costrutti cardiaci. Le cellule si aggregano come sferoidi. La matrice di aghi appropriata e il disegno 3D desiderato sono stati selezionati e preparati (a). Gli sferoidi sono stati quindi stampati sulla matrice di aghi (b). Dopo la coltivazione, la risposta del farmaco è stata misurata usando i costrutti cardiaci fabbricati (c).

Fabbricazione di costrutti cardiaci tubolari senza ponteggi. (a) Immagini rappresentative dei costrutti cardiaci tubolari fabbricati immediatamente dopo la stampa e la coltura sulla serie di aghi per 7 giorni. (b) Analisi immunoistochimica dei costrutti cardiaci. I campioni sono stati osservati con ingrandimento basso (4 ×) e alto (20 ×). Gli iCells sono stati identificati mediante colorazione della troponina T, mentre HUVEC e NHDF sono stati colorati con CD31 e vimentina, rispettivamente. Barra della scala = 100 μm.

Al momento della creazione di un sistema di analisi della contrazione, gli autori hanno testato:

Stimolazione elettrica
Dipendenza dalla temperatura della contrazione spontanea nei costrutti cardiaci
Analisi di reattività farmacologica di costrutti cardiaci
Effetto di citotossicità della doxorubicina su costrutti cardiaci

Analisi del movimento della matrice di aghi mediante contrazione di costrutti cardiaci. I costrutti cardiaci sull’array di aghi sono stati registrati (a) e il movimento dell’array di aghi è stato monitorato utilizzando il software (b). Misura e analisi dei movimenti dell’ago (c).

Variazione della frequenza contrattile spontanea e della forza dei costrutti cardiaci nella cultura. Sono stati selezionati quattro punti sulle matrici degli aghi per valutare la contrazione del costrutto cardiaco (a) e le variazioni della frequenza di battimento / 10 s (b) e della frequenza contrattile e della forza dei costrutti cardiaci (c) sono state analizzate al giorno 0 e giorno 7. N = 8 per ciascun gruppo, * P <0,01. Le barre di errore rappresentano la deviazione standard. Sono stati confrontati i movimenti della serie di aghi dei costrutti cardiaci al giorno 0 e al giorno 7 (d, e).

Per monitorare il “battito” dei costrutti cardiaci, i ricercatori hanno stabilito una valutazione continua della stimolazione elettrica:

“Durante la condizione di contrazione spontanea, la frequenza di battiti dei costrutti cardiaci era di 3 battiti per 10 secondi. Quando la stimolazione elettrica stimolata a 1 o 2 Hz è stata applicata ai costrutti cardiaci, la frequenza del battito è aumentata. Tuttavia, la stimolazione elettrica stimolata a 2Hz ha impedito il completo rilassamento dei costrutti cardiaci e ha mostrato una diminuzione del movimento superiore dell’ago. Stevens et al. ha anche dimostrato che i cerotti cardiaci senza impalcature hanno mostrato una diminuzione della forza contrattile a stimolazione elettrica stimolata a 2Hz o 3Hz26. Pertanto, i nostri risultati indicano che questo sistema di analisi della contrazione può riprodurre la contrazione del cuore umano. “

La coerenza della temperatura è richiesta per i costrutti cardiaci, con variazioni che incidono sulla frequenza dei battiti, lasciando i ricercatori a notare che tale controllo è un “parametro molto importante” in tali test. Andando avanti nello studio, durante la sperimentazione sono stati utilizzati quattro farmaci: isoproterenolo, propranololo, blebbistatina e doxorubicina.

“Abbiamo selezionato farmaci noti, isoproterenolo e propranololo, a causa della loro capacità di modificare la frequenza di battitura e la forza contrattile dei cardiomiociti”, hanno affermato gli autori.

Cardiotossicità nei costrutti cardiaci dopo trattamento con doxorubicina. Imaging temporale della cardiotossicità a seguito del trattamento DOX (a). Il movimento della serie di aghi non è cambiato in risposta al mancato trattamento (b, c). Al contrario, il movimento superiore dell’array di aghi è diminuito in risposta al trattamento con doxorubicina da 10 μM (d, e). N = 3 per ciascun gruppo, * P <0,01. Le barre di errore rappresentano la deviazione standard.

Poiché la valutazione dei pericoli della cardiotossicità era fondamentale nello studio, i ricercatori si sono concentrati sulla doxorubicina (DOX) come “farmaco modello” per tale valutazione. I risultati erano in linea con altri studi, indicando che la frequenza di battitura non variava un’ora dopo l’applicazione di DOX. Nel complesso, tutti i fattori hanno mostrato che la cardiotossicità potrebbe essere monitorata con il nuovo sistema e l’analisi di follow-up.

“Non siamo riusciti a calcolare la forza contrattile del costrutto, perché la lunghezza della matrice dell’ago non era uniforme a livello micro”, hanno concluso i ricercatori. “In futuro, valuteremo accuratamente la forza contrattile migliorando la lunghezza della matrice dell’ago. In secondo luogo, abbiamo utilizzato la frequenza dei fotogrammi (30 fotogrammi per s) della nostra videocamera per valutare la contrazione dei costrutti cardiaci. Al contrario, Takeda et al. ha riferito che una videocamera che registra a 150 fotogrammi al secondo può misurare la velocità di contrazione dei cardiomiociti, nonché la velocità di rilassamento e la velocità di contrazione-rilassamento. Tus, in futuro, miriamo a eseguire analisi di contrazione dei costrutti cardiaci utilizzando una videocamera con un frame rate elevato.

“Questo metodo di analisi può essere utilizzato per lo sviluppo di nuovi farmaci, grazie alla sua elevata prevedibilità della risposta ai farmaci in vitro. Riteniamo che l’accuratezza di questo sistema di analisi delle contrazioni aumenterà in futuro a causa dei progressi della tecnologia della fotocamera e della qualità della serie di aghi. “

Scienziati, produttori, ingegneri e una varietà di utenti in tutto il mondo continuano a eliminare i vincoli che causano sfide o ulteriori passaggi nella fabbricazione digitale, dalle applicazioni industriali nel settore aerospaziale , automobilistico e delle costruzioni , alla bioprinting, dove la raffinazione del processo potrebbe essere fondamentale per l’obiettivo finale di essere in grado di fabbricare oggetti sorprendenti come gli organi umani

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