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Diseño, fabricación, caracterización, modelado y simulación de estructuras cardíacas creadas mediante ingeniería tisular

Centro de Investigación e Innovación en Bioingeniería

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El objetivo de la ingeniería tisular es restaurar, mantener, mejorar o reemplazar tejidos biológicos. Idealmente, los constructos creados mediante ingeniería tisular deben diseñarse considerando que se biodegradan con el tiempo para ser simultáneamente reemplazados por tejido autólogo que puede adaptarse in vivo bajo múltiples condiciones cambiantes. En particular, las estructuras cardíacas creadas con este fin se ven sometidas a estimulaciones eléctricas, cargas hemodinámicas y cargas mecánicas que evolucionan con el tiempo. Es por ello que los modelos cardíacos funcionales deben incorporar la capacidad de crecer con el paciente y adaptarse a estas cargas para prevenir complicaciones que pueden conducir, por ejemplo, a insuficiencias cardíacas.

Con un control espacial sin precedentes, la bioimpresión en 3D ofrece un medio para crear estructuras complejas y funcionales. Investigaciones recientes han demostrado la capacidad de bioimprimir modelos de corazón (o sus partes) en 3D utilizando biotintas formadas por hidrogeles que incluyen diferentes células cardíacas, en particular, cardiomiocitos, siendo capaces de recapitular tanto la función electrofisiológica como ciclos dinámicos de presión-volumen.

Por otro lado, un objetivo importante en el diseño de estructuras de bioingeniería es la predicción confiable del impacto de materiales de andamiaje específicos, incluida su degradación, y tipos de células. La exploración exhaustiva de dichos efectos a través de estudios puramente experimentales y clínicos es prohibitiva en cuanto a coste y tiempo. El modelado matemático y simulación computacional pueden acelerar estos estudios para ampliar los límites de la ingeniería de tejidos. Sin embargo, los marcos computacionales actuales son limitados y a menudo se basan en descripciones constitutivas inadecuadas de estas estructuras complejas.

El estudio de este problema requiere necesariamente un enfoque teórico, computacional y experimental combinado. Se necesitan desarrollos teóricos para comprender el comportamiento mecánico y mecanobiológico subyacente, guiar los experimentos y sintetizar los resultados; se necesitan modelos computacionales y simulaciones para analizar los datos y resolver problemas de valores iniciales y de contorno; además, la construcción de estos modelos teóricos y computacionales requiere el análisis de datos experimentales y clínicos para parametrizarlos y describir así con precisión el comportamiento del corazón bioartificial.

En este ámbito inter y multidisciplinar, investigadores e investigadoras del CI2B trabajan en el diseño y fabricación de una cámara ventricular cardíaca creada mediante bioimpresión 3D con cardiomiocitos derivados de células madre pluripotentes inducidas (iPS), así como en la caracterización, modelado y simulación de las contribuciones de crecimiento y remodelado a la formación de neotejido y al establecimiento de la función cardíaca.

Responsable científico

Latorre Ferrús Marcos

Participantes

Latorre Ferrús Marcos

Aplicaciones

Ensamblar construcciones funcionales que restablezcan, mantengan o mejoren tejidos o cámaras cardíacas dañadas.
Comprender cómo progresan las enfermedades cardíacas y cómo pueden tratarse.
Combinar técnicas de ingeniería de tejidos y medicina regenerativa para reparar tejido en el cuerpo.
Diseño y optimización de andamios tridimensionales que soporten el crecimiento, remodelado y maduración de células madre pluripotentes diferenciadas a cardiomiocitos.
Estudiar el desarrollo normal y patológico del tejido cardíaco.
Probar terapias y medicamentos en modelos de enfermedad.
Evaluación de la adhesión celular de las células implantadas y sus efectos a largo plazo.
Diseño y optimización de trasplantes personalizados.
Ingeniería de ventrículos cardíacos para recién nacidos con alteraciones por cardiopatía congénita.

Ventajas técnicas

Combinación de métodos establecidos e hidrogeles de última generación que permiten la adaptación y maduración adecuadas de cardiomiocitos derivados de células iPS humanas.
Creación de geometrías ventriculares más realistas y de mayor fidelidad mediante la bioimpresión 3D.
Investigación por separado del crecimiento y remodelado de la pared inducidos por flujo y/o presión.
Simulación avanzada de la degradación y regeneración simultáneas de tejido cardíaco.
Sinergia de técnicas experimentales y computacionales para diseñar constructos funcionales óptimos.

Beneficios que aporta

Reducción de costes, tiempo y riesgo con respecto a estudios puramente experimentales y clínicos.
Restauración, mantenimiento, mejora y/o reemplazo de tejidos biológicos personalizados a demanda.
Mejora de la biocompatibilidad del implante y reducción del rechazo por el organismo

Experiencia relevante

El grupo de investigación tiene amplia experiencia en:
Simulación computacional y modelado de problemas acoplados de mecánica de sólidos y fluidos.
Estudios experimentales y computacionales sobre el tratamiento de patologías cardiovasculares.
Diseño de biomateriales para aplicaciones de ingeniería de tejidos mediante bioimpresión 3D.
Cultivo de líneas celulares iPS humanas sanas y patológicas y diferenciación a células cardíacas.
Caracterización mecánica, eléctrica y de imagen de tejido cardíaco nativo y bioartificial.

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