Avances en la investigación de cardiomiocitos usando hiPSC-CMs

Las enfermedades cardiovasculares son la principal causa de enfermedad y muerte en todo el mundo, causando alrededor de 18 millones de muertes cada año. El corazón está compuesto por diferentes tipos de células, siendo los cardiomiocitos los más abundantes. En los adultos, estas células están organizadas de una manera que ayuda al corazón a bombear sangre de manera efectiva. Los cardiomiocitos adultos tienen una forma y estructura específica que les permite funcionar correctamente. Sin embargo, estudiar estas células directamente de corazones humanos tiene sus desafíos, como la disponibilidad limitada y las dificultades para mantenerlas en el laboratorio.

Para superar estos desafíos, los científicos usan un tipo de célula llamada HiPSC-CMs, que se derivan de células madre humanas. Estas células se pueden cultivar en grandes cantidades y proporcionan información valiosa sobre enfermedades del corazón y posibles nuevos tratamientos. Sin embargo, los hiPSC-CMs son menos maduros que los cardiomiocitos adultos y tienen diferentes propiedades. Los investigadores están trabajando en crear mejores entornos para que estas células crezcan en el laboratorio, que se asemejan a las condiciones de un corazón sano.

#Creando el Entorno Adecuado

Un setup ideal para cultivar cardiomiocitos implica usar un sustrato que imite la textura y Rigidez del tejido cardíaco. Este sustrato debe soportar la adherencia y crecimiento de los cardiomiocitos, ayudarles a alinearse correctamente y acomodar el movimiento natural del corazón. La rigidez del sustrato debe coincidir con la del tejido cardíaco sano, que varía entre 1-6 kPa en corazones jóvenes y 10-15 kPa en corazones adultos sanos.

Para producir estos Sustratos, los investigadores han empleado varias técnicas, incluyendo litografía suave y microfabricación. Un material popular para hacer estos sustratos es el polidimetilsiloxano (PDMS), conocido por su estabilidad, biocompatibilidad y bajo costo. Aunque el PDMS tiene muchos beneficios, puede ser un reto para los cardiomiocitos adherirse a su superficie porque el PDMS es naturalmente hidrofóbico.

Para mejorar la adherencia celular, los investigadores han desarrollado métodos para modificar la superficie del PDMS, haciéndola más adecuada para el crecimiento celular. Estas modificaciones incluyen recubrir la superficie con proteínas que ayudan a que las células se adhieran mejor.

#Métodos de Fabricación

El proceso de crear el sustrato micropatrón suave implica varios pasos. Primero, se hace un molde usando PDMS, lo que requiere un grabado cuidadoso para formar surcos. Estos surcos guían a las células para que crezcan en la orientación deseada. Una vez que el molde está listo, se aplica una capa de un material llamado alcohol polivinílico (PVA) para facilitar la eliminación del sustrato de PDMS más tarde.

Después, se vierte una versión más suave de PDMS en el molde. Luego, el sustrato es tratado para mejorar sus propiedades superficiales antes de ser usado para el cultivo celular. Los investigadores utilizan varias técnicas para asegurarse de que la profundidad y el espaciado de los surcos sean consistentes, ya que estas características influyen en cómo las células crecen y se comportan.

#Caracterizando el Sustrato

Para asegurarse de que los sustratos sean adecuados para el cultivo de cardiomiocitos, los investigadores miden aspectos como la profundidad de los surcos y la textura de la superficie. Estas caracterizaciones ayudan a entender cómo el sustrato podría afectar el crecimiento y función celular.

También realizan pruebas para medir la rigidez de los sustratos, ya que diferentes niveles de rigidez pueden crear respuestas variadas en las células. Esta caracterización mecánica es esencial porque ayuda a predecir cómo las células responderán al sustrato durante los experimentos.

#Mejorando la Adherencia Celular

La adherencia celular al sustrato es crítica para estudios exitosos de cardiomiocitos. Los investigadores miden qué tan bien se adhieren las células a diferentes tipos de sustratos. Descubren que los sustratos tratados con recubrimientos específicos, como proteínas, mejoran significativamente la capacidad de las células para adherirse y crecer.

Un enfoque exitoso fue aplicar una combinación de PD y proteínas de matriz extracelular (ECM). Tratar el sustrato de esta manera permite a los cardiomiocitos formar una monocapa estable y funcional. Esta capa es crucial para investigar su actividad eléctrica y comportamiento contráctil.

#Diferenciando Células Madre en Cardiomiocitos

Para producir cardiomiocitos, los investigadores los derivan de hiPSCs. Estas células madre pasan por una serie de pasos, primero siendo sembradas en una superficie recubierta con proteínas especiales para apoyar su crecimiento. Después de un tiempo, se cambia el medio para alentar a las células a comenzar a diferenciarse en cardiomiocitos. Las células alcanzan un estado de madurez después de varios días, mostrando características similares a las que se encuentran en células cardíacas adultas.

Durante este proceso de diferenciación, los científicos monitorean de cerca las células para asegurar que se desarrollen correctamente. El objetivo es lograr una alta pureza de cardiomiocitos, lo que permite resultados más confiables en experimentos posteriores.

#Efectos de las Características del Sustrato en el Comportamiento Celular

Los investigadores investigan cómo las características del sustrato micropatrón, como las dimensiones de los surcos, influyen en los cardiomiocitos. Examina cómo diferentes tamaños de patrones afectan la alineación de las células y sus núcleos. Un hallazgo crucial es que parámetros específicos, como la profundidad y el espaciado de los surcos, promueven una mejor alineación y funcionalidad de los cardiomiocitos.

En sus experimentos, los investigadores observan que el mejor rendimiento ocurre con ciertas dimensiones de micropatrón. Las células cultivadas en estos patrones óptimos exhiben una mejor organización y función, reflejando más de cerca el comportamiento de los cardiomiocitos adultos.

#Maduración de Cardiomiocitos

Cultivar cardiomiocitos derivados de hiPSC en sustratos diseñados específicamente permite a los investigadores impulsar la maduración aún más. Observan cambios a lo largo del tiempo en propiedades como la organización de sarcómeros, fuerza contráctil y manejo de calcio.

Después de algunas semanas en el sustrato micropatrón suave, los cardiomiocitos muestran una organización estructural mejorada. Esta maduración se indica por longitudes y orientaciones de sarcómeros mejoradas, que son esenciales para una función cardíaca efectiva. Los investigadores también notan que la capacidad de las células para manejar calcio mejora, lo que lleva a una mejor contractilidad.

#Evaluando la Funcionalidad

La funcionalidad de los cardiomiocitos cultivados se evalúa usando varias técnicas. Al analizar sus tasas de contracción y relajación, los investigadores determinan qué tan bien estas células imitan el comportamiento de las células cardíacas adultas. Las pruebas miden parámetros como el acortamiento de sarcómeros y la dinámica de transitorios de calcio, proporcionando información sobre el rendimiento general de las células.

Estas evaluaciones son cruciales para entender cuán bien se pueden usar las células cultivadas para estudiar enfermedades del corazón o para probar nuevos medicamentos.

#Cultivo a Largo Plazo

Un aspecto esencial de la investigación es la capacidad de cultivar células durante períodos prolongados, a veces superando los tres meses. Las observaciones a largo plazo ayudan a los científicos a entender cómo cambian los cardiomiocitos con el tiempo y cómo sus funciones podrían verse afectadas por el microentorno.

Durante estudios a largo plazo, los investigadores monitorean cambios en la estructura y función celular, identificando puntos de maduración y cualquier signo de dediferenciación. Este conocimiento es vital para establecer modelos estables para estudiar enfermedades del corazón y respuestas a medicamentos.

#Desarrollando Técnicas Útiles

A lo largo del estudio, se desarrollan varias técnicas y procedimientos para crear entornos efectivos para el cultivo de cardiomiocitos. Estos métodos permiten a los investigadores producir modelos celulares estables y funcionales que pueden proporcionar información sobre el desarrollo del corazón, enfermedades y terapias potenciales.

Un avance clave es la capacidad de crear sustratos micropatrón de manera sencilla sin la necesidad de instalaciones complejas de sala limpia. Esta accesibilidad fomenta más experimentación e innovación en el campo.

#Direcciones Futuras

De cara al futuro, los investigadores planean expandir su comprensión examinando cómo diferentes factores ambientales impactan el comportamiento de los cardiomiocitos. Hay un enfoque en explorar estructuras 3D, que podrían imitar mejor las condiciones que se encuentran en el tejido cardíaco real.

Además, investigar la expresión de proteínas en células madre y cardiomiocitos podría ofrecer información sobre cómo estas células se adaptan a diversos entornos. Tales estudios son esenciales para avanzar en el campo de la medicina regenerativa y mejorar el tratamiento para afecciones cardíacas.

#Conclusión

Esta investigación destaca la importancia de crear entornos óptimos para hiPSC-CMs para mejorar su maduración y funcionalidad. Al desarrollar nuevos sustratos micropatrón con propiedades mecánicas específicas, los científicos han allanado el camino para nuevas técnicas en el estudio de enfermedades cardíacas y la prueba de tratamientos potenciales.

La capacidad de cultivar células durante períodos prolongados mientras se mantiene su funcionalidad es un avance significativo. Este trabajo tiene promesas para futuras aplicaciones en ingeniería de tejidos cardíacos y descubrimiento de medicamentos, contribuyendo en última instancia a mejores resultados para pacientes con afecciones cardíacas.