Tým biomedicínských inženýrů vyvinul plně funkční umělý lidský srdeční sval, který lze použít jako náplast k opravě odumřelého srdečního svalu.
Biomedicínští inženýři z Duke University vyvinuli náplast, kterou lze použít u lidských pacientů, kteří dříve prodělali infarkt.
„V současné době jsou prakticky všechny existující léčebné postupy zaměřeny na zmírnění příznaků již vzniklého poškození srdce, ale žádný přístup nedokázal nahradit ztracený sval, protože jakmile jednou odumře, sám od sebe nedoroste,“ uvedl v tiskové zprávě Ilia Shadrin, doktorand biomedicínského inženýrství na Duke University a první autor studie. „Toto je způsob, jak bychom mohli ztracený sval nahradit tkání vytvořenou mimo tělo.“
Po srdečním infarktu se srdce nedokáže samo přirozeně regenerovat. Odumřelou svalovinu nahradí zjizvená tkáň a elektrické signály se již nepřenášejí do kontrakcí, což znamená, že srdeční tep nebude tak silný a plynulý jako před infarktem.
Když se srdce nedokáže samo regenerovat, dochází k selhání srdce. Podle CDC trpí srdečním selháním přibližně 5,7 milionu Američanů. Téměř polovina lidí s diagnostikovaným srdečním selháním do pěti let zemře.
Výzkumníci testují použití kmenových buněk z kostní dřeně, krve nebo srdce a jejich vpravení do poškozeného místa k doplnění poškozeného svalu. Méně než 1 % vstříknutých buněk je však schopno přežít a zůstat v srdci a ještě menší množství se stane buňkami srdečního svalu.
Srdeční náplasti implantované přes odumřelé srdeční svaly jsou schopny zůstat aktivní po delší dobu a zároveň dodávají srdci sílu potřebnou pro pohyb elektrických signálů. Náplasti jsou také schopny vylučovat enzymy a růstové faktory, které pomáhají poškozeným tkáním, které neodumřely.
Srdeční náplast vyvinutá Dukeovou univerzitou je první umělou náplastí na srdeční sval, která je dostatečně velká, aby pokryla poškozené místo, a zároveň dostatečně silná a elektricky aktivní, aby byla možností při opravě odumřelých buněk srdečního svalu.
„Vytváření jednotlivých buněk srdečního svalu je celkem běžné, ale lidé se zaměřovali na pěstování miniaturních tkání pro vývoj léků,“ řekl Nenad Bursac, profesor biomedicínského inženýrství na Dukeově univerzitě. „Zvětšení do této velikosti je něco, co se ještě nikdy nepodařilo, a vyžadovalo to hodně inženýrské vynalézavosti.“
Buňky jsou vypěstovány z lidských pluripotentních kmenových hovorů, které se mohou přeměnit na jakýkoli typ buněk v těle. Srdeční buňky je možné vypěstovat z kardiomyocytů, fibroblastů a endoteliálních a hladkých svalových buněk. Správná kombinace buněk, podpůrných struktur, růstových faktorů, živin a kultivačních podmínek může vytvořit správné prostředí pro pěstování velkých, plně funkčních náplastí lidské srdeční tkáně, což je proces, na kterém výzkumný tým pracoval několik let.
„Ukazuje se, že houpání vzorků za účelem jejich koupání a postříkání, aby se zlepšil přísun živin, je nesmírně důležité,“ řekl Shadrin. „S houpacími kulturami jsme dosáhli třikrát až pětkrát lepších výsledků ve srovnání s našimi statickými vzorky.“
Výsledky byly lepší než u jiných náplastí o velikosti 1 cm2 a 4 cm2 , které dříve vyvinuli. Po zvětšení záplat na 16 cm2 a tloušťku pěti až osmi buněk se ukázalo, že srdeční sval je plně funkční s elektrickými, mechanickými a strukturálními vlastnostmi, které napodobují normální, zdravé srdce.
„To je nesmírně obtížné, protože čím větší je pěstovaná tkáň, tím těžší je udržet stejné vlastnosti v celé tkáni,“ řekl Bursac. „Stejně náročné bylo zajistit, aby tkáně dozrály do síly dospělého člověka v rychlém časovém horizontu pěti týdnů a zároveň dosáhly vlastností, které obvykle trvají roky normálního lidského vývoje.“
Srdeční záplaty byly testovány na myších a potkaních srdcích a dokázaly přežít, vaskularizovat se a zůstat funkční i po implantaci. Vědci předpokládají, že aby srdeční záplata mohla být životaschopnou náhradou odumřelého srdečního svalu u lidských pacientů, musela by být silnější než ta, kterou vyvinuli. Náplasti musí být vaskularizované, aby buňky mohly dostávat dostatek kyslíku a živin, aby byly dostatečně silné a mohly fungovat má srdeční sval v lidském srdci.
„Taková plná integrace je opravdu důležitá, nejen pro zlepšení mechanického pumpování srdce, ale i pro zajištění plynulého šíření elektrických vln a minimalizaci rizika arytmií,“ řekl Shadrin.
„Aktivně na tom pracujeme, stejně jako ostatní, ale prozatím jsme nadšeni, že jsme vyřešili tu část „na velikosti záleží“,“ řekl Bursac.
Sharon a Bursac plánují integrovat záplaty do prasečích srdcí s pomocí výzkumníků z Alabamské univerzity, zatímco výzkumníci z Wisconsin-Madisonské univerzity budou pracovat na vývoji vylepšených kmenových buněk pro vytvoření hlavních typů buněk, které tvoří srdeční záplaty, aby se minimalizovala imunitní reakce u implantátů.
Výzkum byl publikován v časopise Nature Communications a byl financován Národním institutem zdraví.
Výzkum byl publikován v časopise Nature Communications.