Tissue Engineering of Cardiac Arrhythmic Models For Drug Development

Abstract

Cardiovascular diseases, particularly arrhythmias, remain a major global health challenge, characterized by high mortality rates and significant morbidity. The increasing prevalence of these conditions has spurred interest in innovative approaches to cardiac tissue engineering, aiming to develop functional tissues that can mimic the properties of native cardiac structures. This dissertation focuses on the development of bioinks designed to replicate the extracellular matrix (ECM) characteristics of cardiac tissue, specifically targeting conductivity and biocom- patibility to enhance cardiomyocyte maturation. The primary objective of this research was to create Gelatin Methacryloyl (GelMA) hydro- gels incorporated with conductive nanoparticles, facilitating the bioprinting of cardiac tissue models. These models are intended to emulate the electrical conductivity and anisotropic ar- chitecture of heart tissue, which are crucial for proper cardiac function. The study emphasizes the importance of these properties in promoting the growth and differentiation of cardiomy- ocytes, which are essential for effective tissue regeneration. Despite the challenges encountered, including the inability to successfully develop an in vitro model of arrhythmia, the findings contribute valuable insights into the potential of bioink formulations and bioprinting techniques in cardiac tissue engineering. In conclusion, while the goal of creating a functional in vitro arrhythmia model was not achieved, this dissertation lays the groundwork for future studies aimed at advancing cardiac tissue engineering. The proposed methodologies and materials offer promising avenues for developing cardiac models that could ultimately aid in drug development and therapeutic strategies for treating arrhythmias and other cardiovascular diseases.

As doenças cardiovasculares, particularmente as arritmias, continuam a ser um grande desafio para a saúde a nível mundial, caracterizado por elevadas taxas de mortalidade e mor- bilidade significativa. O aumento da prevalência destas condições tem estimulado o interesse em abordagens inovadoras à engenharia de tecidos cardíacos, com o objetivo de desenvolver tecidos funcionais que possam imitar as propriedades das estruturas cardíacas nativas. Esta dissertação centra-se no desenvolvimento de biotintas concebidas para replicar as caraterísti- cas da matriz extracelular (MEC) do tecido cardíaco, visando especificamente a condutividade e a biocompatibilidade para melhorar a maturação dos cardomiócitos. O principal objetivo desta investigação foi criar hidrogéis de Gelatina Metacriloil (GelMA) incorporados com nanopartículas condutoras, facilitando a bioimpressão de modelos de te- cido cardíaco. Estes modelos destinam-se a emular a condutividade eléctrica e a arquitetura anisotrópica do tecido cardíaco, que são cruciais para a função cardíaca adequada. O estudo sublinha a importância destas propriedades na promoção do crescimento e diferenciação dos cardomiócitos, que são essenciais para uma regeneração eficaz dos tecidos. Apesar dos desafios encontrados, incluindo a incapacidade de desenvolver com sucesso um modelo in vitro de arritmia, os resultados contribuem com informações valiosas sobre o potencial das formulações de biotintas e das técnicas de bioimpressão na engenharia de teci- dos cardíacos. Em conclusão, embora o objetivo de criar um modelo funcional de arritmia in vitro não tenha sido alcançado, esta dissertação estabelece as bases para estudos futuros destinados a fazer avançar a engenharia de tecidos cardíacos. As metodologias e materiais propostos ofe- recem vias promissoras para o desenvolvimento de modelos cardíacos que poderão, em última análise, ajudar no desenvolvimento de medicamentos e estratégias terapêuticas para o trata- mento de arritmias e outras doenças cardiovasculares.