3D Bioprinting of Cardiac Tissue and Cardiac Stem Cell Therapy

Joao Victor Araujo Tocantins¹, Arthur Vinicios Araújo de Souza², Lavínia Zilioti Barros Siqueira³, Caroline Pina Ribeiro de Souza⁴, Caroline Cabral Macedo⁵, Mauriene Carvalho Mergarejo do Amara⁶,  Rayanne Marciano Moreno Pereira⁷, Ailton Junio Cardoso Luiz⁸, Jéssica Xavier Oliveira⁹, Ana Carolina Ferreira Prudente¹⁰, Sâmia Soares de Morais Rodrigues¹¹, Riuller Lobo Trindade¹², Taciane Ferreira Mendonça¹³, Jéssica Laís da Silva Alcântara¹⁴, Douglas Cardoso da Silva¹⁵, Leonardo Heveraldo Santos¹⁶, Matheus Lôres de Oliveira¹⁷, Jade Cardoso de Paula¹⁸,  Nathan Jose Novaes Verginio¹⁹, Juliana Campos de Paiva Silva²⁰

Universidade de Rio Verde – Campus Formosa, Goiás, Brazil, ORCID: 0000-0001-9617-1397

Universidade de Rio Verde – Aparecida de Goiânia, Goiânia, Brazil, ORCID: 0009-0003-0132-0436

Universidade de Rio Verde – Campus Formosa, Goiás, Brazil

Universidade de Rio Verde – Aparecida de Goiânia Goiânia, Brazil

Centro Universitário Euro Americano (UNIEURO), Distrito Federal, Brazil

Centro Universitário Estácio do Pantanal (FAPAN), Mato Grosso, Brazil,

Centro Universitário Estácio do Pantanal (FAPAN), Mato Grosso, Brazil

UNINASSAU – Vilhena, Rondônia, Brazil

Universidade de Rio Verde – Aparecida de Goiânia Goiânia, Brazil

Universidade de Rio Verde – Campus Formosa, Goiás, Brazil

Universidade de Rio Verde – Campus Formosa, Goiás, Brazil

Universidade Estácio de Sá (UNESA) Campus Angra dos Reis, Rio de Janeiro, Brazil, LATTES: 7032670787625512

Universidade de Rio Verde – Campus Formosa, Goiás, Brazil,

Universidade de Rio Verde – Campus Formosa, Goiás, Brazil, ORCID: 0009-0000-3571-7077

Universidade de Rio Verde – Campus Formosa, Goiás, Brazil

Universidade de Rio Verde – Campus Formosa, Goiás, Brazil

Universidade de Rio Verde – Campus Formosa, Goiás, Brazil

Universidade de Rio Verde – Campus Formosa, Goiás, Brazil

Universidad Privada del Este – Campus Ciudad del Este, Alto Parana, Paraguay

Farmacêutica e Graduanda de Medicina, Brazil

Received: 8 June 2024

Revised: 11 June 2024

Accepted: 11 June 2024

Published: 11 June 2024

Keywords:

3D heart, bioprinting, treatment, cardiac tissue.

Palavras-chave:

Coração 3D, bioimpressão, tratamento, tecido cardíaco.

Corresponding author:

Arthur Vinicios Araújo de Souza.

Universidade de Rio Verde – Aparecida de Goiânia, Goiânia, Brazil. araujooarthur01@gmail.com

doi: 10.5281/zenodo.11582062

ABSTRACT

Cardiovascular diseases are highly prevalent worldwide, responsible for significant morbidity and mortality, especially in developed countries. One in every seven deaths is attributed to coronary artery disease, with an estimated annual incidence of approximately 800 thousand myocardial infarction cases. The adult human heart has the lowest regenerative capacity among organs in the body due to the limited ability of cardiomyocytes (CMs) to regenerate, meaning the heart cannot adequately repair itself after injury. Although various therapeutic strategies, such as cardiac stents and myocardial revascularization surgeries, have been implemented, reversing myocardial deficiencies remains a constant challenge. The aim of cardiac tissue engineering is to develop functional tissues and organs for in vivo transplantation, thereby mitigating the shortage of available transplant organs. Additionally, these tissues can be used as in vitro models for disease mechanism research and drug discovery. In this regard, three-dimensional bioprinting, an additive manufacturing technology that employs a layer-by-layer construction approach, has been adopted for developing complex 3D structures necessary for cell proliferation and differentiation in numerous applications in tissue engineering and regeneration development. Thus, the complex nature of 3D bioprinting in integrating and empowering multiple cells, as well as its impact on patient life according to existing literature, is being analyzed. A systematic literature review was conducted through the PubMed platform, with careful selection and analysis of articles. In this review, a beneficial effect was identified using 3D bioprinting, demonstrating rapid development and the urgent need to establish standards to normalize tissue manufacturing of 3D bioprinting products. RESUMO As doenças cardiovasculares são altamente prevalentes em todo o mundo, sendo responsáveis por uma significativa morbidade e mortalidade, especialmente nos países desenvolvidos. Uma em cada sete mortes é atribuída à doença arterial coronariana, e a incidência anual estimada de infarto do miocárdio é de aproximadamente 800 mil casos. O coração adulto humano é o órgão com a menor capacidade regenerativa do corpo, devido à limitada habilidade dos cardiomiócitos (CMs) de se regenerarem, o que significa que o coração não consegue se reparar adequadamente após uma lesão. Embora diversas estratégias terapêuticas, como stents cardíacos e cirurgias de revascularização miocárdica, tenham sido implementadas, a reversão das deficiências miocárdicas ainda é um desafio constante. A engenharia de tecidos cardíacos tem como objetivo desenvolver tecidos e órgãos funcionais para transplantes in vivo, o que possibilita mitigar a escassez de órgãos disponíveis para transplante. Além disso, esses tecidos podem ser usados como modelos in vitro para a pesquisa dos mecanismos das doenças e para a descoberta de novos medicamentos. Sobre isso, a bioimpressão tridimensional, uma tecnologia de fabricação aditiva que utiliza uma abordagem de construção por camadas, foi adotada para o desenvolvimento de estruturas 3Ds complexas necessárias para a proliferação e diferenciação celular em inúmeras aplicações na engenharia e desenvolvimento da regeneração tecidual. Dessa forma, estão sendo analisados a forma complexa que a bioimpressão 3D possui em integrar e capacitar as múltiplas células e também o desenvolvimento e o como o procedimento impacta na vida do paciente de acordo com a literatura existente. Realizou-se uma revisão sistemática de literatura por meio da plataforma pubmed, com seleção e análise criteriosa dos artigos. Nesta revisão, foi identificado um efeito benéfico utilizando a bioimpressão 3D, onde foi possível ver um rápido desenvolvimento e que principalmente deve ser rapidamente desenvolvido padrões para normalizar a fabricação tecidual dos produtos da bioimpressão 3D.

INTRODUCTION / INTRODUÇÃO

Aspectos gerais da fisiopatologia cardíaca.             

De acordo com Sengupta et al (1) apud Liu et al (2) as alterações patológicas resultantes da perda da estrutura e função do coração permanecem como a principal causa de mortalidade na população. Os fatores que contribuem para essas perdas são frequentemente variados, incluindo cardiopatias congênitas, cardiopatia isquêmica, traumas, inflamações, entre outros, que coletivamente conduzem ao comprometimento progressivo da função cardíaca, Kim et al. (3) apud Liu et al (2). Devido à ausência de células-tronco cardíacas endógenas naturais em adultos, danos cardíacos prolongados podem resultar em insuficiência cardíaca aguda ou crônica irreversível, manifestada principalmente por arritmia ou uma redução significativa na fração de ejeção (2). Atualmente, os métodos terapêuticos disponíveis ainda se concentram principalmente no tratamento dos sintomas, sem conseguir uma recuperação cardíaca completa in situ, semelhante à reparação do tecido epidérmico da pele. Para pacientes com insuficiência cardíaca terminal, o transplante de coração é uma opção viável. No entanto, o número de doadores é muito inferior ao necessário para atender à demanda dos pacientes, além da alta probabilidade de rejeição imunológica e complicações cirúrgicas, o que impede a realização do desejo de recuperação completa e duradoura da função cardíaca (2).

A lesão por isquemia e reperfusão (IR) é um efeito inevitavelmente prejudicial que determina o tamanho final do infarto após uma revascularização bem-sucedida em casos de infarto do miocárdio (IM). Atualmente, não há terapias eficazes para minimizar o dano cardíaco nesse contexto. No entanto, em 2020, surgiram dados significativos que aprimoraram nossa compreensão dos mecanismos fisiopatológicos envolvidos na IR e identificaram novos alvos terapêuticos potenciais para limitar a extensão do infarto e a consequente remodelação adversa do coração (4).

Concordando com o proposto por Davidson et al. (4), Sharma et al. (5) aborda que a lesão de isquemia/reperfusão (I/R) miocárdica resulta de alterações nos níveis de adenosina trifosfato (ATP). Durante a isquemia, a falta de oxigênio leva à inibição da fosforilação oxidativa mitocondrial, reduzindo a produção de ATP e promovendo uma mudança no metabolismo dos cardiomiócitos para a respiração anaeróbica. Adicionalmente, a sobrecarga de cálcio intracelular durante a isquemia e a reperfusão diminui ainda mais a produção de ATP devido à geração excessiva de espécies reativas de oxigênio (ROS) no meio mitocondrial. Esta retratação dos autores com a redução persistente nos níveis de ATP culmina em danos irreversíveis ao tecido cardíaco e subsequente morte celular. Sharma et al. (5) retrata que durante a isquemia, o pH intracelular diminui devido ao acúmulo de lactato e prótons, resultando em acidose intracelular. Já durante a reperfusão, a remoção do lactato da célula promove um aumento no pH, ativando o trocador Na+-H+ e o simporte Na+-HCO3-, o que resulta na expulsão de prótons. Esse rápido retorno ao pH fisiológico leva à abertura do poro de transição da permeabilidade mitocondrial (MPTP) e à produção de ROS, resultando em hipercontração dos cardiomiócitos devido aos fluxos iônicos e aumento do cálcio intracelular, causando danos celulares. Além disso, Sharma et al. (5) aborda que ocorre um desequilíbrio iônico intracelular devido à acidose e à falta de ATP, inibindo o trocador de sódio-potássio ATPase (Na+-K+ ATPase) e promovendo o acúmulo intracelular de sódio e inchaço celular. A sobrecarga de sódio ativa o trocador sarcolemal de sódio-cálcio (Na+-Ca2+), resultando em acúmulo intracelular de cálcio. Após a reperfusão, a restauração dos níveis de energia ativa o Na+-K+ ATPase para equilibrar a sobrecarga de sódio, mas a rápida normalização do pH por meio da ativação do trocador Na+/H+ e do cotransportador Na+/HCO3- extrai íons de hidrogênio, aumentando ainda mais o sódio intracelular e reativando o trocador sarcolemal Na+-Ca2+, aumentando os níveis de cálcio e promovendo a morte celular. As ROS são geradas tanto durante a isquemia quanto durante a reperfusão devido à disfunção mitocondrial e à ativação de enzimas como a xantina oxidase e a NADPH oxidase.

Outras células não-miocárdicas, como fibroblastos cardíacos e células endoteliais, também desempenham papéis importantes durante a lesão de I/R miocárdica (5). Os fibroblastos controlam a matriz extracelular e promovem a fibrose cardíaca após o insulto isquêmico, enquanto as células endoteliais regulam a homeostase e a sinalização parácrina no coração. As plaquetas, por sua vez, contribuem para a trombose e hemostasia durante a lesão de reperfusão. Atualmente, não existe um modelo ideal que recapitule completamente o microambiente complexo do coração humano durante a lesão de I/R miocárdica (5). Isso representa desafios significativos na tradução de estudos pré-clínicos para a prática clínica. No entanto, os avanços na modelagem tridimensional de tecidos cardíacos humanos in vitro oferecem novas oportunidades para estudar essa condição e desenvolver terapias mais eficazes (5).

Desenvolvimento pluripotente induzido in vitro.

Na última década, o avanço das células-tronco pluripotentes induzidas in vitro (iPSCs) Takahashi et al. (6) e Yu et al. (7) apud Liu et al. (8) e a reprogramação cardíaca direta, tanto in vitro quanto in vivo Ieda et al. (9) e Mohamed et al. (10) apud Liu et al. (8), trouxe novas oportunidades para estudos cardiológicos. Essas estratégias inovadoras, vistas por Huang et al. (11) Chen et al. (12) e por Wang et al. (13) apud Liu et al. (8) possibilitaram a geração de tipos celulares específicos das linhagens cardiovasculares por meio da transformação aumentada da identidade celular, mediada por mecanismos genéticos e epigenéticos. Essa abordagem oferece uma solução prática para a limitação no número de células cardíacas alvo, causada pela determinação final do destino celular. Entretanto, a falta de suporte mecânico sólido e de orientação direcional adequada da matriz extracelular (ECM) circundante impede que essas células formam estruturas tridimensionais, essenciais para a modelagem anatômica e integração orgânica. A pesquisa sobre materiais poliméricos biocompatíveis e biodegradáveis Asghari et al. (14) apud Liu et al. (8), podem substituir parcialmente a função da ECM na engenharia de tecidos, tem mostrado efeitos auxiliares promissores (8). No entanto, integrar células ativas e biomateriais em um complexo estável, capaz de reproduzir fielmente o microambiente cardíaco, ainda representa um desafio significativo.

A era da bioimpressão tridimensional (3D)

Surge das necessidades avançadas do desenvolvimento biotecnológico. Esta tecnologia de fabricação aditiva, que constrói camada por camada, permite a deposição precisa de materiais biológicos e células ativas conforme um padrão espacial específico (8). Além disso, pode criar um padrão biológico altamente contínuo e estável, capaz de simular com alta resolução os estados críticos do coração. Isso abre caminho para a exploração inovadora na reparação e regeneração do tecido miocárdico utilizando tecnologia de próxima geração (8). No entanto, é importante reconhecer que a tecnologia de regeneração cardíaca baseada em bioimpressão 3D ainda está em uma fase inicial de desenvolvimento, e muito mais pode ser alcançado através da colaboração entre cientistas de diversas áreas. Por exemplo, os parâmetros da biotinta utilizados nessa tecnologia precisam ser continuamente investigados em níveis físico e químico para melhor caracterizar a estrutura e a complexidade fisiológica do miocárdio (8). Nesta revisão, focamos nas inovações recentes no uso de materiais de hidrogel como biotintas e células-semente, elucidando o impacto significativo da bioimpressão 3D no campo da engenharia de tecidos cardiovasculares (8).

OBJETIVOS

Geral

Avaliar os avanços da bioimpressão 3D de tecido cardíaco e terapia com células-tronco cardíacas.

Específicos

•                Revisar a luz da literatura a bioimpressão 3D de tecido cardíaco.
•                Analisar os resultados dos procedimentos in vivo e in vitro e os avanços científicos das impressões.
•                Fornecer quais mecanismos e como as impressões são realizadas.

METHODS

Para concretizar os objetivos traçados sobre a bioimpressão 3D de tecido cardíaco e terapia com células-tronco cardíacas, essa investigação empregou uma abordagem de revisão sistemática da literatura médica. O corpus documental foi composto por uma seleção criteriosa de artigos na base de dados PubMed, além de consultas a periódicos científicos especializados.

A estratégia de busca contou com a utilização dos descritores: “3D Heart”, “Bioprinting” e “Treatment”, através do operador booleano “AND”. Desta busca, totalizaram 92 artigos selecionados, que posteriormente foram submetidos aos critérios de seleção.

Os critérios para inclusão utilizado foi a data de publicação nos últimos 5 anos. A  seleção  foi realizada de forma independente por dois revisores, e qualquer discordância foi resolvida  por  consenso. A partir dos 75 artigos selecionados foram utilizados os seguintes critérios de exclusão: artigos sem aprofundamento científico e artigos duplicados. Em seguida, após a aplicação dos critérios de seleção, com base na leitura dos títulos e objetivos dos artigos, foram selecionados 19 artigos em que os objetivos respondiam à pergunta norteadora deste trabalho, e submetidos à leitura minuciosa para coleta de dados, onde posteriormente foram selecionados 15 artigos.

De acordo com o comitê de ética 466/2012 o seguinte trabalho não apresenta o termo de consentimento livre e esclarecido (TCLE) e não precisou de aprovação de um comitê de ética e pesquisa (CEP) para prosseguimento. Assim, os dados mencionados foram coletados dos artigos selecionados e com armazenamento correto, seguindo os requisitos éticos necessários de acordo com a lei.

RESULTS & DISCUSSION

Bioengenharia vem se desenvolvendo

A bioengenharia está emergindo como um campo multidisciplinar que une especialistas em engenharia, ciências da vida e medicina. Utilizando os blocos de construção de células, biomateriais e biorreatores, busca-se o desenvolvimento de tecidos e órgãos artificiais em 3D para aumentar, reparar e/ou substituir tecidos danificados (15). A bioimpressão adota a abordagem da impressão tridimensional (3D) convencional, também conhecida como manufatura aditiva, utilizando materiais biocompatíveis, células e estruturas de suporte para criar tecidos complexos. A capacidade de fabricar estruturas para substituir ou reparar tecidos cardíacos danificados poderia reduzir drasticamente a dependência de bancos de doadores, potencialmente salvando vidas e diminuindo os custos com saúde (15). O coração é composto por uma variedade de células, incluindo cardiomiócitos, fibroblastos, células endoteliais (EC), adipócitos, neurônios, células imunológicas e outras. Recentemente, Tucker et al. (16) apud Quadri, Soman e Vijayavenkataraman (15) identificaram 9 tipos diferentes de células cardíacas e mais de 20 subgrupos com base em análises de sequenciamento de RNA de núcleo único. O processo de bioimpressão cardíaca começa com a análise de imagens médicas do próprio paciente, como tomografia computadorizada (CT), ressonância magnética (MRI), radiografia ou ecocardiografia, para identificar defeitos. Após a identificação do defeito, ocorre a modelagem do tecido utilizando modelagem assistida por computador (CAD). Em seguida, são combinados materiais de suporte e componentes celulares vivos para formular as construções teciduais e realizar a bioimpressão. O processo ideal de bioimpressão para um coração humano completo seria capaz de depositar diferentes tipos de células cardíacas na orientação espacial adequada, juntamente com uma matriz extracelular (ECM) funcional (15). Além disso, a construção deve ser adequadamente vascularizada para nutrir tecidos maiores. A maturação das construções é essencial para alcançar uma funcionalidade comparável ao tecido cardíaco nativo. No entanto, alcançar a orientação funcional, vascularização completa e maturação ainda são obstáculos significativos na fabricação de órgãos cardíacos de tamanho real com funcionalidade comparável aos órgãos nativos, utilizando bioimpressão e engenharia de tecidos (15).

Pré-fabricação das bioimpressões

A bioimpressão 3D de tecido cardíaco doente ou danificado começa com a criação de um modelo 3D específico do paciente, que pode ser desenvolvido a partir de imagens clínicas ou por meio de modelos de design auxiliados por computador Marija et al. (17) apud Alonzo et al. (18). Dados provenientes de imagens médicas são utilizados para gerar modelos anatomicamente precisos por meio de técnicas de imagem como tomografia computadorizada (TC) controlada por eletrocardiografia, ecocardiografia 3D volumétrica e ressonância magnética cardíaca (CMR), uma vez que esses conjuntos de dados de imagem precisam ser volumétricos Bucking et al. (19) e Salgo IS (20) apud Alonzo et al. (18). A ecocardiografia 3D transesofágica é uma fonte de dados atraente para gerar modelos de estruturas cardíacas com imagens claras, como câmaras ventriculares ou folhetos valvares Vukicevic et al. (21) apud Alonzo et al. (18). No entanto, devido a artefatos e limitações únicas associados à imagem ultrassonográfica, a TC e a CMR são as técnicas de imagem mais viáveis para impressão 3D Vukicevic et al. (21) apud Alonzo et al. (18). A TC oferece excelente resolução espacial e é adequada para pacientes com marca-passos e implantes metálicos que não são compatíveis com a ressonância magnética. Por outro lado, a CMR pode obter imagens de alta resolução sem radiação ionizante e pode discernir a composição do tecido sem o uso de meio de contraste iodado. As informações anatômicas 3D obtidas dos conjuntos de dados volumétricos de TC, CMR ou ecocardiografia 3D são convertidas em um modelo digital 3D do tecido cardiovascular específico do paciente em um processo chamado “segmentação de imagem” (18). Viu-se uma evolução na segmentação devido ao crescente interesse na modelagem anatômica e à necessidade de intervenções cardíacas personalizadas. Anteriormente, a segmentação se baseia apenas em imagens de TC, mas estudos recentes de Schievano et al. (22), Sodian et al. (23), Mark, Kuffler e Bley (24) apud Alonzo et al. (18) incorporaram imagens de CMR para replicar distúrbios congênitos do coração e vasculatura sistêmica. Pesquisas vistas por Farooqi (25), Binder et al. (26) e Oliveira et al. (27) apud Alonzo et al. (18) também mostraram a viabilidade de reconstruir folhetos mitrais e anel mitral a partir de imagens de ecocardiografia transesofágica 3D e dados ecocardiográficos combinados com dados de TC. Inicialmente, os conjuntos de dados de imagens adquiridas, de estudos cardíacos de TC/CMR, são exportados para o formato Digital Imaging and Communication in Medicine (DICOM), a partir do qual a geometria anatômica alvo é identificada e segmentada com base na intensidade de pixel cinza nas projeções de imagens 2D escalares, axiais, sagitais e coronais, respectivamente. O próximo passo visto por  Noecker et al. (28) apud Alonzo et al. (18) envolve a criação de máscaras de segmentação, onde o software agrupa pixels que possuem a mesma faixa de intensidade em imagens 2D do tecido cardíaco, atribuindo-os a um único material para impressão. Essas máscaras são então convertidas em modelos cardíacos digitais 3D específicos do paciente usando técnicas de renderização e são salvos como arquivos Standard Tessellation Language (.stl) em software auxiliado por computador, onde podem ser modificados e ajustados para atender às necessidades específicas antes de serem exportados para bioimpressão 3D (18).

Xie et al. (29) traz uma abordagem interessante de comparação entre os modelos 2D e 3D, onde fala que as interações entre células e as interações entre células e MEC são fortemente encontradas em modelos 3D. Portanto, alguns fatores-chave do ambiente in vivo podem ser recapitulados. Isso torna os modelos 3D uma ferramenta cada vez mais confiável para estudos farmacológicos, especialmente triagem de medicamentos, análises farmacocinéticas e farmacológicas. Xie et al. (29) refere Pagnotta et al. (30) ao falar que o modelo 3D ideal também deve incluir gradientes de pH, oxigênio, nutrientes e resíduos metabólicos, que tornam o modelo mais preciso no microambiente fisiológico ou fisiopatológico

A impressão

De acordo com Rossellini et al. (31) nos últimos anos, a impressão tridimensional (3D) tem se destacado como uma técnica promissora na fabricação de uma nova geração de patches cardíacas. Essa abordagem, uma forma de fabricação aditiva, traduz projetos auxiliados por computador em objetos 3D de maneira altamente precisa, camada por camada. O controle preciso durante o processo de impressão possibilita uma replicação eficaz das características essenciais do tecido nativo. Especificamente Rossellini et al. (31) afirma que, a impressão 3D permite a criação de andaimes com arquitetura complexa e distribuição espaço-temporal de substâncias bioativas, direcionando eficazmente o crescimento e a organização dos tecidos. Como um avanço rumo à replicação de tecidos complexos e espessos, como o cardíaco, a bioimpressão 3D surgiu como uma tecnologia de ponta. Ela não apenas imprime biomateriais, mas também múltiplos tipos de células, com um controle sem precedentes sobre sua posição, resultando na reprodução global da estrutura e composição do tecido nativo (31).

Concordando com o estudo de Rossellini et al. (31), de acordo com Kim et al. (32) o fornecimento adequado de oxigênio e nutrientes é crucial. O cMesh, com base na biotinta G3C1, mostrou-se superior ao cPatch, pois a estrutura porosa do cMesh permitiu uma melhor distribuição de oxigênio e nutrientes, resultando em maior viabilidade celular. Isso foi evidenciado pelos níveis elevados de fosforilação de ERK, AKT e mTOR em cMesh comparado ao cPatch.

Rossellini et al. (31) referências algumas obras em seu trabalho, onde vê-se que há diferentes biomateriais, tanto de origem natural quanto sintética, além de suas combinações, têm sido utilizados como biotintas para a produção de patches cardíacos por meio da impressão e bioimpressão 3D. Sharma et al. (33) e Majid et al. (34) apud Rosselini et al. (31) no desenvolvimento de adesivos biomiméticos, os biomateriais provenientes de fontes naturais apresentam vantagens significativas, pois oferecem excelente biocompatibilidade, uma imitação biológica eficaz do tecido miocárdico, bem como propriedades bioquímicas e físicas adequadas às construções impressas. Isso, por sua vez, promove o comportamento celular desejado, incluindo migração, proliferação, diferenciação e maturação.

Para replicar o tecido cardíaco nativo de maneira eficaz Rossellini et al. (31), um adesivo cardíaco biomimético deve possuir mais do que apenas propriedades químicas e mecânicas adequadas, fornecidas pelo biomaterial, e uma estrutura propícia ao alinhamento e alongamento celular, proporcionada pela arquitetura do andaime. Ele também deve incluir propriedades funcionais adicionais como abordado por Wolfe et al. (35), onde a estrutura do adesivo deve ser enriquecida com agentes bioativos, como fatores de crescimento, vesículas extracelulares e substâncias imunomoduladoras, para promover a regeneração eficaz do tecido e evitar tanto a formação de cápsulas fibrosas quanto uma resposta inflamatória crônica, trecho no qual concorda com Rossellini et al. (31). Para assegurar a sobrevivência do adesivo modificado, é essencial promover a neovascularização. Isso pode ser alcançado incorporando células vasculares ou fatores pró-angiogênicos (31). Além disso, para garantir a integração com o tecido contrátil circundante e a capacidade de contracção síncrona adequada, é necessário desenvolver uma matriz condutora que possa transmitir sinais bioelétricos e prevenir arritmias graves in vivo. Recentemente, avanços como patches inteligentes 4D e efeitos de memória de forma têm sido explorados, trazendo novas perspectivas e funcionalidades avançadas para a engenharia de tecidos cardíacos (31).

No trabalho de Sun et al. (36) é abordado que os transplantes de coração continua sendo o tratamento padrão ouro para os pacientes selecionados com ICC terminal, porém, hoje além do transplante de órgãos, as opões atuais de tratamento para doença cardiaca entram com terapia celular, dispositivos como stents ou endopróteses e cirurgias de revascularização. Concordando com Sun et al. (36) Wang et al. (37) aborda que a bioimpressão ela pode se basear em jato de tinta, extrusão e luz para criação de tecidos geométricos, sendo sintetizado da seguinte forma:

●             Impressão em jato de tinta:

○             Funcionamento: Armazena biotinta em um cartucho e utiliza um cabeçote de impressão deformado por atuadores térmicos, piezoelétricos, eletrostáticos ou eletrohidrodinâmicos para ejetar gotículas.

○             Vantagens: Método econômico e de alta velocidade de impressão.

○             Viabilidade celular: Aproximadamente 80-90% para fibroblastos.

○             Limitações: Baixa faixa de viscosidade imprimível (<30 mPa.s).

●             Baseado em extrusão

○             Funcionamento: Carrega a biotinta em uma seringa e imprime fios contínuos usando forças mecânicas ou pneumáticas.

○             Vantagens: Pode imprimir biomateriais com ampla gama de viscosidades (até > 6 × 10⁷ mPa.s) e alta integridade estrutural.

○             Viabilidade celular: Diminui com aumento da pressão e/ou redução do diâmetro do bico.

○             Custo: Plataforma conveniente e barata, mas com resolução limitada comparada a outras técnicas de bioimpressão.

●             Baseado em luz

○             Funcionamento: Utiliza um feixe de laser para projetar uma gota precisa de biotinta na superfície de impressão.

○             Vantagens: Alta resolução, capacidade de produzir construções com alta densidade celular (até 10⁸ células por mL), e impressão com biotintas de baixa viscosidade.

○             Viabilidade celular: Aproximadamente 68,1% a 70,8% para construções vasculares.

○             Limitações: Complexidade no controle dos pulsos de laser, desafios na fabricação de hidrogel com células antes da impressão, e alto custo do sistema de laser.

                Sun et al. (36) traz também tópicos falando sobre as formas de celularidade por bioimpressão e como essas áreas envolvem o sistema cardiovascular

●             Células tronco pluripotentes:

○             Avanços: Uso de células-tronco pluripotentes humanas (hPSCs) e tecnologias de engenharia de tecidos cardíacos.

○             Benefícios: Potencial para criar materiais biocompatíveis para reparo e regeneração de tecidos cardíacos doentes.

○             Potencial: Reprogramação de células humanas diferenciadas para um estado pluripotente possibilita a criação de células específicas para pacientes e doenças.

○             Aplicações: Estudo do desenvolvimento do coração humano, resposta a intervenções terapêuticas e modelagem de doenças.

●             Maturidade celular:

○             Tipos de hPSCs: Células-tronco embrionárias humanas (hESCs) e células-tronco pluripotentes induzidas por humanos (hiPSCs).

○             Desafios: Maturação inadequada dos tecidos criados, assemelhando-se a cardiomiócitos fetais.

○             Abordagens para maturação: Estímulos bioquímicos, mecânicos, elétricos, sinais topográficos e interações com outras células.

○             Estado ideal: Ainda não determinado, pois cardiomiócitos imaturos podem causar arritmias, mas apresentam maior sobrevivência após transplante.

●             Microvasculatura:

○             Desafios: Criar construções funcionais de microvasculatura para trocas gasosas, difusão de nutrientes e eliminação de resíduos.

○             Limitações de difusão: Oxigênio é limitado a aproximadamente 100–200 µm.

○             Características essenciais: Presença de lúmen endotelizado, rede vascular ramificada e sinalização complexa.

○             Tecnologias exploradas: Bioimpressão 3D baseada em extrusão, brotação induzida, eletrofiação e abordagens litográficas.

○             Necessidades futuras: Precisão espaço-temporal e incorporação de biomateriais e estratégias de bioimpressão para complexidade estrutural e fisiológica.

Acrescentando, em um trabalho recente por Skylar-Scott e Uzel et al. (38) apud Williams et al. (39) demonstraram uma técnica para impressão 3D de vasculatura em tecidos iPSC-CM usando uma tinta de gelatina termicamente sacrificial, denominada “escrita sacrificial em tecido funcional” (SWIFT).

Os bioinks

De acordo com Quadri, Soman e Vijayavenkataraman (15) falam que os bioinks são materiais utilizados na bioimpressão 3D para criar tecidos artificiais bioengenheirados vivos. Esses materiais são definidos como “biomateriais macios carregados com células vivas” e desempenham um papel crucial na impressão de construções de tecidos 3D, suportando a proliferação celular e proporcionando um ambiente fisiológico ideal. Bioinks fornecem um ambiente bioquímico, biomecânico e bioelétrico para transmitir sinais celulares, que podem ser renovados ao longo do tempo por proteínas da matriz extracelular (ECM) secretadas por diferentes tipos de células em crescimento.

No artigo abordam que existem duas principais classes de bioinks utilizadas na bioimpressão: baseados em scaffold (andaime) e livres de scaffold. Os bioinks baseados em scaffold utilizam biomateriais externos, geralmente hidrogéis, que são carregados com células (15). Exemplos de hidrogéis incluem alginato, fibrina, ácido hialurônico, colágeno e gelatina. As principais vantagens desses scaffolds são a simplicidade na criação de estruturas e a grande escalabilidade. No entanto, após a formação da ECM, a proliferação celular e a degradação do scaffold podem ser difíceis de controlar, limitando a bioimpressão baseada em scaffold (15). Por outro lado, os bioinks livres de scaffold não encapsulam células em biomateriais externos. Em vez disso, as células são formadas em clusters esferoidais para incentivar a secreção de ECM, que são então impressos para formar a estrutura desejada (15). Este método imita o desenvolvimento embrionário, facilitando a interação celular e se assemelhando mais aos princípios naturais de desenvolvimento. Contudo, as preparações pré-impressão são mais longas e requerem um maior número de células, aumentando os custos. Bioinks são formulados para promover a sobrevivência, proliferação, adesão e funcionalidade das células, enquanto idealmente sendo não tóxicos e não imunogênicos. Dependendo do método de impressão, alguns bioinks são preferíveis a outros. Por exemplo, a extrusão requer bioink de alta viscosidade, enquanto a impressão a jato de tinta necessita de bioink de baixa viscosidade. Bioinks naturais são extraídos de plantas, animais e bactérias, enquanto bioinks sintéticos são preparados com produtos químicos biocompatíveis. Polímeros naturais são favoráveis devido à sua bioatividade e biocompatibilidade, imitando componentes da ECM humana, mas podem causar imunogenicidade e ter baixas propriedades mecânicas. Materiais sintéticos oferecem propriedades físico-químicas específicas para requisitos teciduais, como estruturas químicas e grupos funcionais de fixação (15).

A bioimpressão de tecidos cardíacos requer biomateriais macios com resistência à tração e maleabilidade compatíveis com o tecido nativo, alcançável pela modificação dos componentes do bioink, concentração, viscosidade e produtos químicos de reticulação, Quadri, Soman e Vijayavenkataraman (15) abordam que muitos desses polímeros macios têm sido identificados para o design de patches cardíacos, incluindo materiais condutores como grafeno e nanomateriais.

Quadri, Soman e Vijayavenkataraman (15) concordam com a Rossellini et al. (31), onde possui diversos pontos resultando em uma confirmação da maioria dos esforços de bioimpressão cardiovascular 3D com materiais naturais como colágeno, fibrina, elastina, laminina e fibronectina, que oferecem resistência estrutural, conformidade e favorecem a formação de novos vasos sanguíneos. Outra opção de biomaterial é a matriz extracelular descelularizada (dECM) de tecidos nativos. A dECM consiste em uma variedade de proteínas biologicamente ativas e polímeros bioativos naturais de peptidoglicanos e glicoproteínas, que podem ser usados como bioinks. Scaffolds de dECM imitam componentes específicos dos tecidos em produtos teciduais impressos em 3D. A descelularização de corações de animais e humanos, seguida pela recelularização com novas células, incluindo células-tronco pluripotentes induzidas, tem mostrado sucesso na restauração de funções fisiológicas. Quadri, Soman e Vijayavenkataraman (15) trazem que a descelularização e recelularização da dECM enfrentam desafios críticos, como o equilíbrio entre a remoção de células e a preservação da ECM, e a recelularização eficiente para obter uma distribuição celular homogênea. Além disso, os autores possuem preocupações como imunogenicidade induzida pelo scaffold e toxicidade devido aos produtos químicos de descelularização precisam ser abordadas para avançar nas aplicações de bioimpressão.

CONCLUSION / CONCLUSÃO

A bioengenharia, especialmente a bioimpressão 3D, está revolucionando o campo da medicina regenerativa, oferecendo soluções inovadoras para a reparação e substituição de tecidos e órgãos danificados. Este avanço tecnológico possibilita a criação de tecidos cardíacos complexos, utilizando biotintas que incorporam células vivas e biomateriais, mimetizando com precisão a estrutura e função dos tecidos nativos. Apesar dos progressos significativos, ainda existem desafios a serem superados, como a maturação adequada dos tecidos impressos, a vascularização eficiente e a integração funcional com os tecidos circundantes. No entanto, a contínua evolução das tecnologias de bioimpressão e o desenvolvimento de novos biomateriais e técnicas de segmentação de imagem prometem superar essas barreiras. A bioimpressão 3D não só abre novas perspectivas para o tratamento de doenças cardíacas, reduzindo a dependência de doadores, mas também estabelece uma plataforma para a criação de modelos 3D precisos para estudos farmacológicos e testes de medicamentos. Com os avanços contínuos, a bioengenharia está preparada para transformar o futuro da medicina, proporcionando tratamentos mais eficazes e personalizados, e, potencialmente, salvando inúmeras vidas.

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