Cardiac tissue engineering: current state-of-the-art materials, cells and tissue formation / Engenharia de tecidos cardíacos: atual estado da arte a respeito de materiais, células e formação tecidual

ABSTRACT Cardiovascular diseases are the major cause of death worldwide. The heart has limited capacity of regeneration, therefore, transplantation is the only solution in some cases despite presenting many disadvantages. Tissue engineering has been considered the ideal strategy for regenerative medicine in cardiology. It is an interdisciplinary field combining many techniques that aim to maintain, regenerate or replace a tissue or organ. The main approach of cardiac tissue engineering is to create cardiac grafts, either whole heart substitutes or tissues that can be efficiently implanted in the organism, regenerating the tissue and giving rise to a fully functional heart, without causing side effects, such as immunogenicity. In this review, we systematically present and compare the techniques that have drawn the most attention in this field and that generally have focused on four important issues: the scaffold material selection, the scaffold material production, cellular selection and in vitro cell culture. Many studies used several techniques that are herein presented, including biopolymers, decellularization and bioreactors, and made significant advances, either seeking a graft or an entire bioartificial heart. However, much work remains to better understand and improve existing techniques, to develop robust, efficient and efficacious methods.

RESUMO Doenças cardiovasculares são responsáveis pelo maior número de mortes no mundo. O coração possui capacidade de regeneração limitada, e o transplante, por consequência, representa a única solução em alguns casos, apresentando várias desvantagens. A engenharia de tecidos tem sido considerada a estratégia ideal para a medicina cardíaca regenerativa. Trata-se de uma área interdisciplinar, que combina muitas técnicas as quais buscam manter, regenerar ou substituir um tecido ou órgão. A abordagem principal da engenharia de tecidos cardíacos é criar enxertos cardíacos, sejam substitutos do coração inteiro ou de tecidos que podem ser implantados de forma eficiente no organismo, regenerando o tecido e dando origem a um coração completamente funcional, sem desencadear efeitos colaterais, como imunogenicidade. Nesta revisão, apresentase e compara-se sistematicamente as técnicas que ganharam mais atenção nesta área e que geralmente focam em quatro assuntos importantes: seleção do material a ser utilizado como enxerto, produção do material, seleção das células e cultura de células in vitro. Muitos estudos, fazendo uso de várias das técnicas aqui apresentadas, incluindo biopolímeros, descelularização e biorreatores, têm apresentado avanços significativos, seja para obter um enxerto ou um coração bioartifical inteiro. No entanto, ainda resta um grande esforço para entender e melhorar as técnicas existentes, para desenvolver métodos robustos, eficientes e eficazes.

Há proliferação de cardiomiócitos no infarto? / There is proliferation of cardiomyocytes in infarction

Pesquisa de proliferação de cardiomiócitos no infarto. Método: foram colhidas amostras de tecido miocárdico de cadáveres do Serviço de Verificação de òbito, de 19 homens e 03 mulheres. Essas amostras foram coradas com o marcador Ki 67. Realizada também a análise morfométrica dos cardiomiócitos, com objetivo de 10X, em áreas de infarto e em área normal, comparando-se o perímetro e a área dos mesmo. Resultados: mos 22 casos selecionados não foi observado nenhum núcleo de cardiomiócito marcado com Ki-67, evidenciando uma provável ausência de mitose. Em relação à análise morfométrica, o aumento do perímetro e área dos cardiomiócitos em área infartada, em relação á área normal, foi, estatisticamente, significante. Conclusão: Acreditamos que a metodologia empregada, coloração com hematoxilina e eosina e marcação com Ki-67, não é suficientemente precisa para a detecção da prolferação de cardiomiócitos, requerendo-se futuros trabalhos com maiores recursos metodológicos.

Asistencia y regeneración del miocardio combinando terapia celular e ingeniería de tejidos. Resultados del estudio clínico MAGNUM / Myocardial regeneration and asistance combined cardiac tissue engineering and stem cell therapy. Outcome of trial MAGNUM

Objetivos. El trasplante celular para la regeneración del miocardio está limitado por la escasa viabilidad del injerto y la baja retención celular. En la miocardiopatía isquémica la matriz extracelular está profundamente alterada, por consiguiente, sería importante asociar un procedimiento para regenerar las células miocárdicas y restaurar la función de la matriz extracelular. En este estudio clínico, fue evaluada la terapia celular intrainfarto asociada a una matriz de colágeno sembrada con células e implantada sobre ventrículos infartados.Métodos. En 15 pacientes (54,2±3,8 años de edad) que presentaban cicatrices miocárdicas postisquémicas en el ventrículo izquierdo (VI) y con indicación de cirugía de revascularización miocárdica, se implantaron, durante la operación, células de la médula ósea mononucleares autólogas (CMO) en la cicatriz. Se agregó sobre esa zona infartada una matriz de colágeno tipo I con el mismo número de CMO

Resultados. No hubo mortalidad ni eventos adversos relacionados (seguimiento 15±4,2 meses). La clase funcional según la New York Heart Association (NYHA) mejoró de 2,3±0,5 a 1,4±0,3 (p=0,005). El volumen de fin de diástole del VI evolucionó de 142±24 a 117±21 mL (p=0,03), el tiempo de desaceleración del llenado del VI mejoró aumentando de 162±7 mseg a 196±8 mseg (p=0,01). El espesor del área cicatrizada progresó de 6±1,4 a 9±1,5 mm (p=0,005). La fracción de eyección (FE) mejoró de 25±7 a 33±5% (p=0,04).Conclusiones. La inyección intramiocárdica de células de médula ósea y la fijación simultánea de una matriz sembrada con progenitores celulares (stem cells) sobre el epicardio fue simple y sin complicaciones. La matriz de colágeno aumento el espesor de la zona del infarto con nuevos tejidos viables, limitando la dilatación ventricular y mejorando la función diastólica. Estos resultados positivos no pueden ser absolutamente relacionados a las células y la matriz, pues se asociaron puentes de revascularización coronaria. En conclusión, la ingeniería de tejidos puede extender las indicaciones y beneficios de la terapia con células madre en cardiología, convirtiéndose en un camino prometedor para la creación de un “miocardio bioartificial”

Objectives. Stem cell therapy for myocardial regeneration is limited by poor graft viability and low cell retention. In ischemic cardiomyopathy the extracellular matrix is pathologically modified, therefore it could be important to associate a procedure aiming at regenerating both, myocardial cells and the extracellular matrix. We evaluated intrainfarct cell therapy associated with a cell-seeded collagen scaffold grafted onto infarcted hearts.Methods. In 15 patients (aged 54.2±3.8 years) presenting LV postischemic myocardial scars and with indication for a single off-pump-CABG, autologous mononuclear bone marrow cells (BMC) were implanted during surgery in the scar. A 3D collagen type I matrix seeded with the same number of BMC was grafted onto the infarction zone.Results. There was no mortality and any related adverse events (follow-up 15±4.2 months). NYHA FC improved from 2.3±0.5 to 1.4±0.3 (p=0.005). LV end-diastolic volume evolved from 142±24 to 117±21 mL (p=0.03), LV filling deceleration time improved from 162±7 ms to 196±8 ms (p=0.01). Scar area thickness progress from 6±1.4 to 9±1.5mm (p=0.005). EF improved from 25±7 to 33±5% (p=0.04).Conclusions. Simultaneous intramyocardial injection of mononuclear bone marrow cells and fixation of a BMC-seeded matrix onto the epicardium is feasible and safe. The cell seeded collagen matrix seems to increase the thickness of the infarct scar with viable tissues and help to normalize cardiac wall stress in injured regions, thus limiting ventricular remodelling and improving diastolic function. Patients’ improvements can not be conclusively related to the cells and matrix due to the association of CABG. Cardiac tissue engineering should extend the indications and benefits of stem cell therapy in cardiology, becoming a promising way for the creation of a “bioartificial myocardium”

Transplante celular: nova perspectiva para o tratamento da insuficiência cardíaca / Cell transplantation: a new perspective to heart failure treatment

A despeito da expectativa de alguns autores, o tratamento convencional da insuficiência cardíaca não proporciona regeneração miocárdica. Para isso, o transplante celular ou cardiomioplastia celular poderia representar nova opção de tratamento da insuficiência cardíaca e doença coronária. Células transplantadas em área isquêmica, bem como em cicatrizes de infarto prévio, melhoram a disfunção miocárdica. São necessários novos trabalhos para confirmar esses resultados, entretanto, os resultados disponíveis são promissores. O futuro próximo sinaliza como terapêutica a reconstrução do miocárdio lesado por replicação de cardiomiócitos, transplante ou ativação de células-tronco. O implante local de células da medula óssea autóloga induz angiogênese e melhora áreas isquémicas do miocardio, prevenindo o remodelamento ventricular e melhorando a função cardíaca.

Perspectivas de las células tallo en infartos del miocardio / Stem cell perspectives in myocardial infarctions

Myocardial infarction is the leading cause of congestive heart failure and death in industrializated countries. The cellular cardiomyoplasty has emerged as an alternative treatment in the regeneration of infarted myocardial tissue. In animals' models, differents cellular lines such as cardiomyocites, sheletal myoblast, embryonic stem cells and adult mesenchymal stem cells has been used, resulting in an improvement in ventricular function and decrease in amount of infarted tissue. The first three cells line have disvantages as they are allogenics and are difficult to obtain. The adult mesenchymal stem cells are autologous and can be obtained throught the aspiration of bone marrow or from peripherical circulation, prior to stimulating with cytokines (G-CSF). The implantation in humans with recent and old myocardial infarction have shown improvements similar to those shown in animal models. These findings encourage the continued investigation in the mechanism of cellular differentiation and implantation metods in infarted myocardial tissue.

El infarto del miocardio es la principal causa de falla cardiaca y muerte en países industrializados. A la fecha, la cardiomioplastia celular ha emergido como una alternativa en la regeneración de infartos miocárdicos. En modelos animales se han utilizado diferentes líneas celulares como cardiomiocitos fetales, mioblastos de músculo esquelético, células tallo embrionarias y células tallo mesenquimales del adulto, con mejoría en la función ventricular y disminución del área de tejido infartado. Las tres primeras líneas celulares tienen desventajas porque son alogénicas y difíciles de obtener. Las células tallo mesenquimales del adulto son autólogas y se pueden obtener de aspirados de médula ósea o de la circulación periférica previa estimulación con citocinas (G-CSF). La implantación de estas células en seres humanos con infartos del miocardio recientes y antiguos han mostrado mejorías similares a los reportes con modelos animales. Estos hallazgos alientan a continuar la investigación clínica y básica en busca de los mecanismos de diferenciación celular y selección de vías de implantación, en tejido miocárdico infartado.

Avaliação das alterações morfológicas crônicas do músculo grande dorsal, após cardiomioplastia, através da ressonância magnética / Evaluation of chronic morphologic changes In latissimus dorsi after cardiomyoplasty by magnetic ressonance

PURPOSE--Long term clinical and hemodynamic benefits of dynamic cardiomyoplasty (DC) have been reported. However, no information is available about long-term morphological changes in the wrapped latissimus dorsi (LD) muscle in humans. METHODS--The latissimus dorsi muscle flap was evaluated by magnetic resonance imaging (MRI) in 5 patients submitted to DC for treatment of severe dilated cardiomyopathy. All patients were studied from 24 to 52 months after the surgical procedure at the time of the cardiomyostimulator replacement. In the interim, LD was stimulated with burst of 6 pulses (burst duration 185 msec, burst freq 30Hz) synchronized to every cardiac contraction with a maximum of 100 LD contractions/min. Images were acquired on a GE Sigma 1.5 T system (TE = 25ms, TR = R- Rx2, slice thickness 8mm). RESULTS--The thickness of was 7.6 +/- 0.8mm. In addition, the signal intensity of the LD was compared with that of thoracic skeletal muscle and was found to be increased (2.19 +/- 0.42). The signal intensity was similar to that of subcutaneous fat in those images. CONCLUSION--Morphologic changes in the wrapped LD muscle consistent with fatty degeneration occur after DC and can be detected by MRI. Further studies will be necessary to demonstrate the clinical significance of such LD muscle flap changes.

Objetivo - Os benefícios clínicos e hemodinâmicos da cardiomioplastia (CD) a longo prazo têm sido relatados. Contudo existem poucos estudos sobre mudanças morfológicas crônicas no músculo grande dorsal (GD) em pacientes submetidos à cirurgia. Métodos - Avaliação através da ressonância magnética (RM) do músculo GD de 5 pacientes no período entre 24 e 52 meses após procedimento cirúrgico, no momento de substituição do cardiomioestimulador. Nesse interim, o GD foi estimulado com seqüência de 6 pulsos (duração de 185ms e freqüência de 30Hz) sincronizado com todas as contrações cardíacas, com um máximo de 100 contrações do GD por minuto. As imagens foram adquiridas pelo aparelho 1,5 Tesla da GE (tempo-echo, 25ms; tempo de repetição, R-R x 2 e espessura do corte, 8mm). Resultados - A espessura média do GD foi de 7,6±0,8mm; a intensidade do sinal do GD foi comparada com a do músculo esquelético do tórax, apresentando-se aumentada (2,19±0,42 proximal e 2,01±0,49 distal). A intensidade do sinal do GD foi similar a da gordura subcutânea da parede do tórax (2,01±0,49 vs 2,67±0,6, P=NS). Conclusão - Mudanças morfalógicas no músculo GD ocorrem após CD, e podem ser detectadas pela RM. Estudos adicionais serão necessários para demonstrar o significado clínico de tais mudanças do músculo GD

Dinâmica da avaliação de pacientes para transplante cardíaco ou cardiomioplastia / Evaluation of Patient Selection for Heart Transplantation or Dynamic Cardiomyoplasty

PURPOSE--To evaluate patient selection for heart transplantation or dynamic cardiomyoplasty. METHODS--We evaluated 380 patients from April 1991 to July 1993. The ages ranged between 16 and 68 (mean 43.5 +/- 11.46) years, 303 (79.7 per cent) were male. The diagnoses were dilated cardiomyopathy in 163 (42.9 per cent), Chagas' cardiomyopathy in 70 (18.4 per cent), ischemic heart disease in 61 (16.1 per cent), hypertensive heart disease in 40 (10.5 per cent), valvular heart disease in 23 (6.1 per cent), alcoholic cardiomyopathy in 12(3.2 per cent), peripartum cardiomyopathy in 5 (1.3 per cent) and myocarditis of unknown etiology in 5 (1.3 per cent). RESULTS--The indication of heart transplantation was eventually done in 55 (14.4 per cent), and 19 (5 per cent) were submitted to transplantation. Dynamic cardiomyoplasty was indicated in 9 (2.3 per cent) patients and was performed in 8 (2.1 per cent). In 30 (7.8 per cent) patients there were clinical contraindications for transplantation. Conventional surgical treatment was indicated for 12 (3.1 per cent) patients: myocardial revascularization and/or ventricular aneurismectomy in 5, surgical treatment of valvular heart disease in 6 and of atrial fibrillation in 1. Socioeconomic limitations precluded transplantation in 43 (11.3 per cent) and psychic limitations hindered transplantation in 23 (6.0 per cent) patients. Refusal of procedure by the patient occurred in 10 (2.6 per cent) cases. Improvement of the symptoms occurred in 69 (18.1 per cent) patients. CONCLUSION--A small percentage of patients are eligible and are eventually submitted to heart transplantation or dynamic cardiomyoplasty. New strategies may be delineated during follow up, as deferring transplantation or conventional surgical treatment of ischemic or valvular heart disease. Sociopsychic evaluation is an important step in the care of the patients