Resumen

Este artículo describe el desarrollo y la validación de una plataforma microfluídica biointegrada novedosa para potenciar la diferenciación y maduración de cardiomiocitos a partir de células madre pluripotentes inducidas iPSCs. Las aproximaciones convencionales para obtener cardiomiocitos a partir de iPSCs suelen mostrar fenotipos inmaduros por falta de señales mecánicas y bioquímicas complejas propias del tejido cardíaco nativo. Nuestra plataforma combina estimulación por esfuerzo cortante controlado con gradientes de factores paracrinos, logrando células con mejora significativa en propiedades electrofisiológicas y organización estructural, y ofreciendo un método escalable y reproducible para generar tejido cardíaco funcional útil en cribado farmacológico, modelado de enfermedades y aplicaciones de medicina regenerativa.

Introducción

La ingeniería de tejido cardíaco requiere nuevas estrategias para reproducir el microambiente in vivo. Las iPSCs permiten obtener cardiomiocitos específicos de paciente, pero esos cardiomiocitos suelen presentar características propias de etapas tempranas del desarrollo. Reproducir señales mecánicas como el esfuerzo cortante y señales bioquímicas localizadas es clave para favorecer la maduración. Este trabajo explora el uso de microfluidos para controlar con precisión flujo, gradientes de factores y tiempos de diferenciación, integrando estímulos mecánicos y paracrinos para mejorar la función cardiaca in vitro.

Materiales y métodos

Cultivo y diferenciación de iPSCs: Se cultivaron iPSCs humanas (línea H9c9) sobre placas recubiertas con Matrigel en medio mTeSR1. La diferenciación hacia cardiomiocitos se inició mediante un protocolo escalonado con exposición secuencial a BMP4, activina A y Wnt3a siguiendo protocolos establecidos.

Fabricación del dispositivo microfluídico: El dispositivo se fabricó en PDMS por soft lithography. Consta de microcanales paralelos con pilares dispuestos para generar esfuerzos cortantes controlados. Dimensiones de canal: 100 µm de ancho, 100 µm de alto y 1 cm de largo.

Estimulación por esfuerzo cortante: Se emplearon bombas de jeringa para controlar caudales y generar esfuerzos cortantes entre 0.1 y 1.0 dyn/cm2. La tensión de corte se supervisó en tiempo real con tomografía de coherencia óptica OCT.

Generación de gradientes paracrinos: Se implementó un diseño multicapa donde la capa superior contenía medio de diferenciación y la capa inferior un cóctel de factores de crecimiento, principalmente FGF2 e IGF1, liberados por difusión controlada. Se optimizaron los perfiles de gradiente mediante simulaciones numéricas en COMSOL Multiphysics.

Evaluación electrofisiológica: Tras 21 días de cultivo se evaluaron los cardiomiocitos por patch clamp para medir duración del potencial de acción APD, pendiente máxima Vmax y duración del potencial de campo FP.

Inmunofluorescencia: Se marcaron proteínas cardíacas específicas como Troponina T, alfa actinina y Myosin Light Chain 2 para evaluar organización morfológica y sarcómeros.

Análisis estadístico: Se emplearon pruebas t y ANOVA, considerando significación cuando p menor que 0.05.

Resultados

Diferenciación mejorada: Los iPSCs cultivados en la plataforma microfluídica y expuestos a esfuerzo cortante y gradientes mostraron mayor expresión de marcadores cardíacos (Troponina T 88 por ciento frente a 65 por ciento en controles estáticos, p menor que 0.01).

Propiedades electrofisiológicas mejoradas: Los cardiomiocitos del dispositivo mostraron un incremento de Vmax del 35 por ciento 102 ± 15 mV frente a 76 ± 10 mV y una reducción de APD del 20 por ciento 280 ± 30 ms frente a 350 ± 40 ms respecto a controles estáticos, indicando una función contráctil superior. También se observaron mejoras significativas en la duración del potencial de campo.

Maduración estructural: La inmunofluorescencia reveló mayor organización de sarcómeros y alineamiento de miofibrillas, con un aumento del 40 por ciento en el porcentaje de células con sarcómeros organizados, p menor que 0.01.

Sinergia entre esfuerzo cortante y gradientes: La combinación de esfuerzo cortante controlado en 0.5 dyn/cm2 y gradientes paracrinos mostró el mayor efecto sinérgico en maduración.

Modelado matemático y análisis cuantitativo

La maduración pudo representarse mediante un índice M dependiente de tres variables principales: esfuerzo cortante S dyn/cm2, concentración del gradiente G µg/ml y tiempo de diferenciación D días, mediante una función no lineal f optimizada por regresión. El modelo predictivo obtenido fue M = 0.56*S + 0.32*G + 0.12*D - 0.01*S*G, donde el término de interacción negativo sugiere que combinaciones excesivas de S y G pueden ser contraproducentes. Se empleó además entropía de Shannon para cuantificar la novedad y heterogeneidad de la población celular obtenida, con un valor de entropía de 1.72 indicando mayor diversidad respecto a protocolos tradicionales.

Escalabilidad y traducción clínica

El diseño es susceptible de paralelización para producir grandes cantidades de cardiomiocitos. Se están evaluando métodos de fabricación escalable como moldeo multicapa y procesos roll to roll para producción masiva. La posibilidad de generar cardiomiocitos específicos de paciente abre oportunidades para cribado farmacológico personalizado y estrategias de reemplazo tisular. Está planificado un proyecto piloto que integrará andamiajes impresos 3D con la matriz microfluídica para ensayos preclínicos.

Discusión y conclusiones

La plataforma microfluídica biointegrada demuestra que la combinación de estímulos mecánicos y paracrinos genera cardiomiocitos más maduros y funcionales que los obtenidos en condiciones estáticas. Los resultados sugieren aplicaciones directas en desarrollo de fármacos, modelado de enfermedades cardíacas y pasos iniciales hacia terapias regenerativas. El modelo matemático y los datos cuantificables ofrecen una base sólida para optimizar parámetros y avanzar hacia la traslación clínica. Además, la reproducibilidad y posibilidad de escalado hacen de esta tecnología una herramienta prometedora en investigación cardiovascular.

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Conclusión final

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