Redes complexas de vasos sanguíneos podem ser impressas em 3D para órgãos artificiais

Os transplantes de órgãos artificiais têm sido prejudicados pela dificuldade de criar redes de vasos sanguíneos¹, um problema que cientistas estão agora tomando medidas para superar.

Um modelo computacional que possa projetar rapidamente uma rede de vasos sanguíneos¹ para qualquer órgão impresso em 3D pode nos levar um passo mais perto do transplante de fígados, rins² ou corações artificiais sem a necessidade de um doador.

Pessoas com falência de órgãos frequentemente precisam de transplantes de órgãos, mas apenas 10% da demanda global por transplantes está sendo atendida. Para suprir essa necessidade, os cientistas estão desenvolvendo maneiras de imprimir órgãos em 3D em laboratório. Mas esses órgãos requerem redes de vasos sanguíneos¹ para se manterem vivos, e os métodos experimentais existentes para projetá-las levam dias ou até semanas.

Para resolver isso, Alison Marsden, da Universidade Stanford, na Califórnia, e seus colegas construíram um modelo computacional que pode projetar essas redes para qualquer órgão com base em uma lei matemática que descreve como os vasos sanguíneos¹ se ramificam em vasos menores no corpo. As descobertas foram publicadas na revista Science.

Eles testaram sua abordagem fazendo com que o modelo projetasse uma rede de 25 vasos para uma estrutura em forma de anel de 1 centímetro de largura, impressa em 3D a partir de células³ renais, o que foi feito em apenas alguns minutos.

A equipe então imprimiu a rede de vasos no anel usando partículas de gelatina fria, antes de aquecê-lo a 37°C, o que derreteu a gelatina e deixou uma rede de canais ocos de 1 milímetro de largura que imitavam vasos sanguíneos¹. Os pesquisadores então bombearam continuamente um líquido contendo oxigênio e nutrientes através dos canais para simular o fluxo sanguíneo normal.

Uma semana depois, havia cerca de 400 vezes mais células³ vivas no anel em comparação com um anel idêntico de células³ renais sem os vasos, que a equipe também havia banhado no fluido semelhante ao sangue⁴.

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“Conseguimos manter vivas as células³ que estavam próximas aos vasos”, diz Marsden. Aquelas que estavam mais distantes morreram porque ainda não é possível imprimir os vasos menores e mais ramificados, necessários para fornecer nutrientes a essas regiões, diz ela. A equipe está explorando maneiras de resolver isso.

“Eles estão definitivamente expandindo os limites do que é possível”, diz Hugues Talbot, da Universidade Paris-Saclay, na França. A abordagem poderá um dia permitir que os cientistas projetem a rede de vasos sanguíneos¹ para um órgão de tamanho normal em horas, em vez de dias ou semanas, afirma ele. “Redes de vasos sanguíneos¹ projetadas dessa forma poderão ser usadas no futuro para substituir, ou pelo menos complementar, órgãos que possam ser cultivados em laboratório.”

Primeiro, os pesquisadores precisam desenvolver maneiras de imprimir essas redes de vasos sanguíneos¹ em órgãos grandes. Se tudo correr bem, Marsden afirma que eles esperam testar órgãos impressos em 3D em porcos dentro de cerca de cinco anos.

Confira a seguir o resumo do artigo publicado.

Design rápido guiado por modelo de vasculatura sintética em escala de órgão para biofabricação

Enquanto pequenos aglomerados de células³ podem extrair nutrientes e oxigênio de seus arredores, tecidos maiores precisam ter um sistema vascular⁵ para garantir transporte e disponibilidade suficientes. Essa limitação representa um desafio na engenharia de tecidos sintéticos devido às complexidades de projetar e fabricar um sistema vascular⁵.

Dessa forma, a capacidade de produzir órgãos biofabricados em escala humana é limitada pela vascularização e perfusão inadequadas. Para geometrias arbitrariamente complexas, projetar e imprimir vasculatura capaz de perfusão adequada representa um grande obstáculo.

Neste estudo, os pesquisadores desenvolveram uma plataforma de design orientada por modelo para projetar rapidamente árvores de vasculatura para a geração de miméticos de órgãos ou tecidos. A plataforma demonstra rápida geração de modelos vasculares⁶ sintéticos, juntamente com simulações computacionais de dinâmica de fluidos multifidelidade e bioimpressão tridimensional.

Avanços algorítmicos importantes aceleram a geração vascular⁵ em 230 vezes. O modelo inclui propriedades hemodinâmicas, como padrões de fluxo e pressão, no contexto de pontos de ramificação e árvores hierárquicas, permitindo a fabricação de formas arbitrariamente complexas.

Demonstrou-se que modelos de redes vasculares⁶ em escala de órgãos podem ser gerados e utilizados para vascularizar computacionalmente mais de 200 modelos anatômicos e projetados.

Os autores demonstraram a perfusão de redes vasculares⁶ bioimpressas tridimensionais em um biorreator que apresentou viabilidade celular aprimorada.

Esta plataforma permite, portanto, a geração rápida e escalável de modelos vasculares⁶ e a análise da física de fluidos para tecidos biofabricados, necessários para futuras expansões e produção.