Synergistic effects of thermoplastic polyurethane, chitosan, and polypyrrole in scaffold preparation for cardiac tissue engineering

Cuando el corazón sufre un ataque masivo, una obstrucción corta el suministro de sangre, dejando un parche de tejido muscular muerto e incapaz de sanarse a sí mismo. A diferencia de un hueso roto que se suelda de nuevo, el músculo cardíaco tiene una capacidad muy limitada para regenerarse. Una vez que las células mueren, desaparecen, siendo reemplazadas por un tejido cicatricial rígido que no puede bombear sangre. Para solucionar esto, los científicos están explorando un método llamado ingeniería de tejidos, que tiene como objetivo construir estructuras artificiales temporales que puedan soportar nuevas células cardíacas y fomentar su crecimiento. Estas estructuras, conocidas como andamios (scaffolds), deben hacer más que solo mantener las células en su lugar; deben imitar el entorno natural del corazón, que es suave, flexible y envía constantemente señales eléctricas para mantener el corazón latiendo con ritmo. El desafío radica en crear un material que sea lo suficientemente fuerte como para manejar el estrés físico de un corazón que late, lo suficientemente seguro para que el cuerpo lo acepte y lo suficientemente conductor como para transportar esos impulsos eléctricos vitales.

En un estudio reciente, los investigadores se propusieron crear tal andamio combinando tres materiales distintos en una única hoja funcional. Combinaron un plástico sintético conocido por su elasticidad, un polímero natural a base de azúcar que se encuentra en los crustáceos y un tipo especial de plástico que puede conducir la electricidad. El plástico sintético, poliuretano termoplástico, proporciona la elasticidad y durabilidad necesarias. El polímero natural, el quitosano, ofrece una superficie que las células vivas reconocen y en la que les gusta adherirse. Para resolver el problema de la conductividad eléctrica, el equipo añadió polipirrol, un material que permite que la electricidad fluya a través de él, de forma muy similar a un cable, pero en una forma que puede mezclarse con otros materiales blandos. También incluyeron dos aditivos comunes, alginato de sodio y gluconato de calcio, para ayudar a la mezcla a mantener su forma e interactuar mejor con el cuerpo. El objetivo era ver si esta combinación específica podía crear una estructura estable y porosa que soporte el crecimiento de las células cardíacas mientras conduce la electricidad.

Los investigadores comenzaron disolviendo estos componentes en varios solventes y mezclándolos en diferentes proporciones para encontrar el equilibrio perfecto. Descubrieron que simplemente mezclar el plástico y el polímero natural sin los otros ingredientes resultaba en una hoja demasiado densa y que carecía de los diminutos agujeros, o poros, que las células necesitan para respirar y moverse a través de ellos. Sin embargo, cuando introdujeron los aditivos y el material conductor, la mezcla cambió. Los aditivos ayudaron a crear una estructura esponjosa con poros interconectados, lo cual es esencial para que las células se infiltren en el material. A medida que aumentaban la cantidad de polipirrol conductor, los poros se hacían más pequeños y la superficie del material se volvía más rugosa. Esta rugosidad es, de hecho, beneficiosa, ya que ofrece a las células más superficie para agarrarse, de la misma manera que una superficie texturizada proporciona un mejor agarre que una superficie lisa.

Crucialmente, la adición del material conductor transformó las propiedades eléctricas del andamio. La mezcla básica de plástico y polímero natural no conducía la electricidad en absoluto. Pero tan pronto como se añadió el polipirrol, la hoja fue capaz de transportar una corriente eléctrica. Cuanto más polipirrol añadían, mejor conducía la electricidad la hoja. Este es un hallazgo vital porque las células cardíacas dependen de las señales eléctricas para coordinar su latido; un andamio que no pueda conducir la electricidad fallaría en apoyar el ritmo natural del corazón. El equipo también probó cómo interactuaba el material con el agua. Mientras que la mezcla básica repelía el agua, la adición del material conductor hizo que la superficie fuera más amigable con el agua, lo que generalmente ayuda a que las células se adhieran y se propaguen con mayor facilidad.

Para ver si estos nuevos materiales eran seguros y efectivos, los investigadores los probaron con células cardíacas vivas y células de vasos sanguíneos en un entorno de laboratorio. Descubrieron que las células no solo sobrevivían en los andamios, sino que también crecían bien y se adherían firmemente a la superficie. Las células cardíacas mantenían su forma característica e incluso comenzaron a mostrar signos de desarrollo de las estructuras internas necesarias para la contracción. El estudio también analizó cómo se descomponían los andamios con el tiempo. Los materiales fueron diseñados para ser biodegradables, lo que significa que se disolverían lentamente a medida que se formara nuevo tejido. Los resultados mostraron que los andamios con el material conductor se descomponían ligeramente más rápido que la mezcla básica, probablemente porque absorbían más agua. Esto sugiere que podrían desaparecer a un ritmo que coincida con el crecimiento del nuevo tejido cardíaco.

Más allá de solo soportar las células cardíacas, los investigadores investigaron si los andamios podían fomentar el crecimiento de nuevos vasos sanguíneos, un proceso conocido como angiogénesis. Sin un suministro fresco de vasos sanguíneos, el nuevo tejido cardíaco no puede sobrevivir. Utilizando un modelo biológico que involucra embriones de pollo, observaron que los andamios que contenían el material conductor y el aditivo de calcio promovían el crecimiento de nuevos vasos sanguíneos de manera más efectiva que la mezcla básica. Esto indica que la combinación específica de ingredientes no solo apoya directamente a las células del músculo cardíaco, sino que también ayuda a construir la red vascular necesaria para alimentarlas. El estudio también señaló que los andamios mostraron cierta capacidad para inhibir el crecimiento de ciertas bacterias, lo que podría ser un efecto secundario útil para prevenir infecciones tras la implantación.

Los investigadores concluyeron que la versión más prometedora de su andamio era la que contenía una cantidad específica y moderada de material conductor. Esta versión ofrecía el mejor equilibrio: era lo suficientemente fuerte como para mantener su forma, lo suficientemente flexible como para moverse con el corazón, lo suficientemente conductora como para transportar señales eléctricas y lo suficientemente porosa como para permitir que las células crezcan en su interior. Si bien el estudio no probó el material dentro de un corazón humano o animal vivo, los resultados de laboratorio sugieren que esta combinación de materiales crea un entorno favorable para la reparación cardíaca. Al ajustar cuidadosamente la mezcla de plástico sintético, polímero natural y material conductor, el equipo ha creado una plataforma que aborda los múltiples y complejos requisitos de la ingeniería de tejidos cardíacos, ofreciendo un camino potencial para reparar el músculo cardíaco dañado que actualmente no tiene una forma natural de sanar por sí mismo.