Tendências recentes em engenharia muscular bioartificial e suas aplicações em carne cultivada, sistemas biorobóticos e implantes biohíbridos

Biologia das Comunicações volume 5, Número do artigo: 737 (2022) Citar este artigo

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Avanços recentes na engenharia de tecidos e na tecnologia de biofabricação produziram uma infinidade de tecidos biológicos. Dentre elas, a engenharia de músculos bioartificiais se destaca por sua excepcional versatilidade e ampla gama de aplicações. Da indústria alimentícia ao setor de tecnologia e medicina, o desenvolvimento desse tecido tem o potencial de afetar diversos setores ao mesmo tempo. No entanto, até o momento, a biofabricação de carne cultivada, sistemas biorobóticos e implantes musculares bioartificiais ainda são considerados isoladamente por grupos de pares individuais. Para estabelecer um terreno comum e compartilhar avanços, esta revisão descreve os requisitos específicos da aplicação para a geração de tecido muscular e fornece uma visão abrangente das estratégias de biofabricação comumente usadas e das tendências atuais de aplicação. Ao resolver os desafios individuais e fundir vários conhecimentos, saltos sinérgicos de inovação que se inspiram mutuamente podem ser esperados em todas as três indústrias no futuro.

Na última década, a biofabricação artificial de tecido muscular atraiu grande interesse. Devido à sua aplicabilidade diversificada, por exemplo, como carne cultivada1, sistemas biorobóticos2, implantes biohíbridos em medicina regenerativa3 ou na modelagem de doenças4, a popularidade desse campo de pesquisa aumentou constantemente.

Este artigo fornece uma visão abrangente das estratégias recentes de biofabricação dedicadas à produção de tecido muscular para os três primeiros campos de aplicação (Fig. 1a). As últimas histórias de sucesso serão destacadas e discutidas criticamente.

A biofabricação de tecido muscular permite múltiplas aplicações (a) variando de carne cultivada155 (montagem de músculo fibroso, gordura e tecidos vasculares a bife cultivado por Kang et al (CC BY 4.0)), em sistemas biorobóticos (da ref. 2. Reimpresso com permissão da AAAS.) para implantes biohíbridos3 (o ramo peitoral da artéria toracoacromial foi identificado abaixo do peitoral maior por Liu et al (CC BY 4.0)). Esta revisão fornece uma visão abrangente sobre os requisitos específicos de material e celular mais importantes, bem como estratégias de biofabricação dedicadas (adaptado das referências 22.148 (Ilustração esquemática do conceito, procedimento experimental, objetivo e perspectiva do estudo de Schäfer et al. (CC BY 4.0))) para cada um dos três campos de aplicação. Embora a biofabricação de carne cultivada, sistemas biorobóticos e implantes musculares bioartificiais tenham sido estudados isoladamente até agora, a fusão tecnológica desencadeará inovações inesperadas e determinará tendências futuras. A combinação recentemente publicada de sistemas biorobóticos e implantes biohíbridos é um indicador inovador para o que está por vir (b, adaptado de Srinivasan e colaboradores153 (reimpresso com permissão da Springer Nature Limited: Nature Biomedical Engineering, A cutâneo mechanoneural interface for neuroprosthetic feedback , Srinivasan et al., Copyright 2021).

O músculo é um tecido vascularizado e inervado composto por 90% de células musculares, como mioblastos e células satélites e 10% de fibroblastos e adipócitos5. Enquanto os fibroblastos e adipócitos ocorrem em massa, as células musculares são compostas por uma estrutura hierárquica com miofibras alinhadas formadas em um processo de maturação a partir de miotubos multinucleados alongados fundidos influenciados por sinais químicos, mecânicos e elétricos6,7. O tecido muscular esquelético está inserido em uma matriz extracelular (MEC) composta principalmente por colágeno (Col) tipo I e III8,9. A produção artificial de tecido muscular segue o processo de biofabricação geralmente conhecido, composto por três etapas: pré-processamento, fabricação e maturação10. Primeiro, o projeto tridimensional (3D) e os materiais de andaime necessários são definidos. Em seguida, as células e os materiais são montados para formar o tecido precursor. Métodos de biofabricação comumente conhecidos, como semeadura de células11,12, fundição de hidrogel13,14 ou bioimpressão 3D15,16,17, são aplicados rotineiramente. Por fim, o precursor tecidual passa por uma fase de maturação. Na fabricação muscular, esta etapa é de particular relevância, pois determina a funcionalidade biológica e mecânica do tecido6,7,18.