Os engenheiros de tecidos estão descobrindo maneiras de cultivar órgãos e tecidos vivos a partir de células, com o objetivo de substituir as partes doentes e danificadas do corpo. Os cientistas já cultivaram com sucesso músculos, fígados, rins, pele e outros tecidos artificiais. Mas ainda não havia um método confiável para criar redes de vasos sanguíneos com padrões precisos, alguns dos quais podem ser mais finos que um fio de cabelo humano. 

Sem uma rede vascular para fornecer nutrientes, qualquer tecido artificial, por mais semelhante à vida, não pode funcionar. 

Agora, engenheiros do MIT descobriram que podem projetar e controlar o crescimento de vasos sanguíneos esticando-os mecanicamente. 

A equipe construiu um “vaso sanguíneo em um chip” humano, composto por uma artéria central feita de células endoteliais humanas, que está imersa em um gel que também contém um pequeno ímã. Os pesquisadores estudaram como a artéria principal reagia ao movimentarem o gel para frente e para trás usando um ímã externo para mover o ímã embutido no gel.

Eles descobriram que a simples ação mecânica de sacudir repetidamente a artéria a estimulava a produzir novos capilares menores. Ao mudar a direção em que a artéria era sacudida ou esticada, os pesquisadores conseguiam redirecionar o crescimento dos novos vasos. E o estiramento da artéria em diferentes graus influenciava a quantidade de novos vasos que surgiam. 

Os resultados, publicados nos Anais da Academia Nacional de Ciências (Proceedings of the National Academy of Sciences ), oferecem aos cientistas uma nova maneira de projetar vasos sanguíneos artificiais e programar os padrões de seu crescimento. 

“Os tecidos saudáveis dependem de redes organizadas de vasos sanguíneos, mas os protocolos mais modernos não permitem a fabricação dessas redes em tecidos bioengenheirados”, afirma Ritu Raman, professora associada de engenharia mecânica do MIT e coautora principal do estudo. “A capacidade de programar o crescimento de vasos sanguíneos com estímulos físicos pode viabilizar a fabricação reprodutível e em larga escala de tecidos bioengenheirados que podem ser implantados no corpo para restaurar funções após doenças ou lesões debilitantes.”

Os coautores do estudo do MIT incluem Sina Kheiri, Jessica Shah, Shashaank Venkatesh e Roger Kamm, juntamente com Peiyuan Chai e Ryan Flynn da Universidade de Harvard. 

Os vasos sanguíneos são difíceis de cultivar e controlar usando técnicas de fabricação convencionais. Embora as impressoras 3D possam produzir vasos na escala de grandes artérias e veias, a tecnologia não é precisa o suficiente para imprimir redes intrincadas de capilares muito mais finos, semelhantes a fios. Os cientistas obtiveram algum sucesso no cultivo de vasos sanguíneos a partir de células individuais, cultivando-as em placas de Petri preenchidas com nutrientes e fatores de crescimento. Mas controlar como e onde elas crescem continua sendo um desafio. 

“Você pode tentar controlar sinais químicos, como fatores de crescimento, para direcionar o crescimento dos vasos, mas não é possível fazer isso com muita precisão”, diz Raman. “Portanto, precisamos de outros tipos de sinais que possam ser controlados e que nos ajudem a construir tecidos com vasos organizados.”

Ela e seus alunos se perguntaram se seria possível cultivar e controlar novos vasos sanguíneos usando um protocolo que haviam desenvolvido anteriormente para o cultivo de músculos e nervos artificiais . Em seus trabalhos anteriores, a equipe projetou um pequeno chip preenchido com um gel dotado de nutrientes e fatores de crescimento. Eles inseriram um pequeno ímã no gel e, em seguida, revestiram a superfície do gel com células musculares ou neuronais vivas. Depois, manipularam um ímã externo para puxar o ímã embutido e o gel coberto de células para frente e para trás. Esse trabalho revelou que o "exercício" mecânico, puxando as células para frente e para trás, influenciava diretamente o crescimento celular. 

Em seu novo trabalho, a equipe usou uma configuração semelhante para verificar se conseguiam cultivar e controlar novos vasos sanguíneos. 

Os pesquisadores construíram um "vaso sanguíneo em um chip", menor que um selo postal, e o preencheram com um gel rico em nutrientes semelhante, contendo um pequeno ímã. Eles inseriram um tubo fino longitudinalmente através do gel para criar um canal oco e revestiram o canal com células endoteliais vivas, que crescem e se fundem naturalmente para formar vasos sanguíneos no corpo. Assim que as células assumiram a forma do canal, começaram a brotar novos vasos semelhantes a capilares no gel. 

Ao colocar o dispositivo sob uma plataforma motorizada equipada com pequenos ímãs suspensos, os pesquisadores moveram os ímãs para frente e para trás em diferentes direções e em vários ângulos, observando se e como vasos sanguíneos brotavam da artéria central em resposta. 

“A principal conclusão é: esticar o vaso sanguíneo para frente e para trás parece aumentar o número de novos capilares que crescem”, diz Raman. 

Se a artéria principal fosse simplesmente deixada em repouso no gel, novos vasos sanguíneos surgiriam em locais aleatórios ao longo de seu comprimento. Mas quando a artéria era movimentada, um número significativamente maior de vasos brotava. Quando a equipe usou ímãs para esticar o gel para frente e para trás, em 5% da largura total do gel, muitos novos vasos cresceram a partir da artéria principal. Quando o gel foi esticado em 15%, menos vasos brotaram, mas os que brotaram se tornaram mais longos. E quando a equipe mudou a direção do estiramento, os novos vasos acompanharam a mudança, alternando-se e seguindo o padrão da estimulação mecânica aplicada.

“Estamos descobrindo que o movimento é benéfico, o que é sempre a principal conclusão de tudo o que fazemos em nosso laboratório”, diz Raman. “As forças mecânicas desempenham um papel importante em nossos corpos. Isso significa que, se quisermos aumentar ou diminuir o número de vasos sanguíneos, ou aumentar ou diminuir o comprimento dos vasos, ou direcioná-los em determinadas direções, agora sabemos como fazer isso.”

Os pesquisadores foram além e investigaram por que os vasos sanguíneos crescem em resposta a forças mecânicas. Para isso, recorreram à edição genética e ao papel de um gene em particular: o Piezo1. 

Recentemente, Raman assistiu a uma palestra do biólogo molecular Ardem Patapoutian. Em 2021, Patapoutian recebeu o Prêmio Nobel de Fisiologia ou Medicina por sua descoberta de canais iônicos nas membranas celulares que se abrem e fecham em resposta à pressão mecânica. Esses canais, denominados PIEZO1 e PIEZO2, atuam como porteiros da célula, controlando o que entra e o que sai dela. Patapoutian descobriu que ambos os tipos de canais são regulados por seus respectivos genes, também chamados PIEZO1 e PIEZO2. 

Após sua apresentação, Raman mostrou a Patapoutian os resultados experimentais de seu grupo, que demonstravam uma conexão entre o crescimento de vasos sanguíneos e a estimulação mecânica. Patapoutian, por sua vez, propôs que a explicação poderia estar no canal PIEZO1; ao exercitar mecanicamente a artéria central, Raman pode ter estimulado a abertura de canais iônicos nas células da artéria, desencadeando o crescimento de novos vasos sanguíneos. 

Para testar essa hipótese, Raman buscou inativar o gene PIEZO1. Se esse gene estivesse menos ativo e, consequentemente, ocorresse o crescimento de menos vasos sanguíneos, isso significaria que os vasos sanguíneos de fato crescem em resposta à estimulação mecânica, especificamente por meio da ativação dos canais iônicos PIEZO1. 

A equipe repetiu seus experimentos, desta vez com células endoteliais geneticamente modificadas para suprimir o gene PIEZO1. De fato, eles observaram que um número significativamente menor de novos vasos sanguíneos brotou, mesmo quando exercitaram mecanicamente a artéria central.

Agora que a equipe descobriu uma maneira de cultivar e controlar o crescimento de vasos sanguíneos, eles planejam aplicar o protocolo para desenvolver redes organizadas de vasos que irão suprir órgãos e tecidos artificiais. "Estamos investigando como o controle preciso do crescimento de vasos sanguíneos pode ajudar a melhorar a função muscular", afirma a coautora Jessica Shah.

Este trabalho foi financiado, em parte, pelo Programa de Início de Carreira do Escritório de Pesquisa do Exército do Departamento de Guerra dos EUA e pela Bolsa PECASE, bem como por uma Bolsa do Programa DURIP do Departamento de Guerra.