En grupp biomedicinska ingenjörer har utvecklat en fullt fungerande konstgjord mänsklig hjärtmuskel som kan användas som plåster för att reparera döda hjärtmuskler.
Duke Universitys biomedicinska ingenjörer har utvecklat plåstret för att kunna användas på mänskliga patienter som tidigare har drabbats av en hjärtattack.
”Just nu är praktiskt taget alla befintliga behandlingar inriktade på att minska symptomen från den skada som redan har orsakats på hjärtat, men inga metoder har kunnat ersätta den förlorade muskeln, eftersom den inte växer tillbaka av sig själv när den väl är död”, säger Ilia Shadrin, doktorand i biomedicinsk ingenjörsvetenskap vid Duke University och försteförfattare till studien, i ett pressmeddelande. ”Det här är ett sätt att ersätta förlorad muskel med vävnad som tillverkas utanför kroppen.”
Efter en hjärtattack kan hjärtat inte regenerera sig självt på ett naturligt sätt. Ärrvävnad ersätter död muskel och elektriska signaler överförs inte längre till sammandragna, vilket innebär att ett hjärtslag inte blir lika starkt eller jämnt som före hjärtinfarkten.
När hjärtat inte kan regenerera sig självt uppstår hjärtsvikt. Cirka 5,7 miljoner amerikaner har hjärtsvikt, enligt CDC. Nästan hälften av de personer som diagnostiseras med hjärtsvikt kommer att dö inom fem år.
Forskare har testat att använda stamceller från benmärg, blod eller hjärtat och implantera dem i det skadade området för att fylla på skadade muskler. Färre än 1 % av de injicerade cellerna kan dock överleva och stanna kvar i hjärtat och en ännu mindre mängd blir till hjärtmuskelceller.
Hjärteplåster som implanteras över döda hjärtmuskler kan hålla sig aktiva under en längre tidsperiod samtidigt som de ger hjärtat den styrka det behöver för att elektriska signaler ska kunna röra sig genom det. Plåstren kan också utsöndra enzymer och tillväxtfaktorer som hjälper skadade vävnader som inte har dött.
Den hjärtplåster som Duke University har utvecklat är den första konstgjorda hjärtmuskelplåstret som både är tillräckligt stort för att täcka det skadade området och tillräckligt starkt och elektriskt aktivt för att vara ett alternativ för att reparera döda hjärtmuskelceller.
”Att skapa enskilda hjärtmuskelceller är ganska vanligt, men folk har fokuserat på att odla miniatyrvävnader för läkemedelsutveckling”, säger Nenad Bursac, professor i biomedicinsk teknik vid Duke University. ”Att skala upp det till den här storleken är något som aldrig har gjorts och det krävde en hel del ingenjörskonst.”
Cellerna odlas från mänskliga pluripotenta stamceller som kan omvandlas till vilken celltyp som helst i kroppen. Hjärtceller kan odlas från kardiomyocyter, fibroblaster samt endotel- och glatta muskelceller. Rätt kombination av celler, stödstrukturer, tillväxtfaktorer, näringsämnen och odlingsförhållanden kan skapa rätt miljö för att odla stora, fullt funktionella mänskliga hjärtvävnadspatchar, en process som forskargruppen har arbetat med i flera år.
”Det visar sig att det är extremt viktigt att gunga proverna för att bada och stänka dem för att förbättra näringstillförseln”, säger Shadrin. ”Vi fick tre till fem gånger bättre resultat med de gungande odlingarna jämfört med våra statiska prover.”
Resultaten var bättre än andra 1 kvadratcentimeter och 4 kvadratcentimeter stora plåster som de tidigare utvecklat. Efter att ha gjort lapparna större, 16 kvadratcentimeter och fem till åtta celler tjocka, visade sig hjärtmuskeln vara fullt fungerande med elektriska, mekaniska och strukturella egenskaper som efterliknade ett normalt, friskt hjärta.
”Det här är extremt svårt att göra, eftersom ju större vävnad som odlas, desto svårare är det att bibehålla samma egenskaper i hela vävnaden”, säger Bursac. ”Lika utmanande har det varit att få vävnaderna att mogna till vuxenstyrka på en snabb tidsskala på fem veckor samtidigt som man uppnår egenskaper som vanligtvis tar år av normal mänsklig utveckling.”
Hjärteplåstren har testats i mus- och råtthjärtan och har kunnat överleva, vaskulariseras och förbli funktionella efter att de implanterats. Forskarna menar att för att hjärtplåstret ska vara en fungerande ersättning för död hjärtmuskel hos mänskliga patienter skulle det behöva vara tjockare än vad de utvecklat. Plåstren måste vaskulariseras så att cellerna kan få tillräckligt med syre och näringsämnen för att vara tillräckligt tjocka för att fungera som hjärtmuskel i det mänskliga hjärtat.
”En sådan fullständig integration är verkligen viktig, inte bara för att förbättra hjärtats mekaniska pumpning, utan också för att säkerställa en jämn spridning av elektriska vågor och minimera risken för arytmier”, säger Shadrin.
”Vi arbetar aktivt med detta, liksom andra, men för tillfället är vi glada att vi har löst den del som handlar om ”storleken””, säger Bursac.
Sharon och Bursac planerar att integrera lapparna i grishjärtan med hjälp av forskare vid University of Alabama, medan forskare vid University of Wisconsin-Madison kommer att arbeta med att utveckla förbättrade stamceller för att skapa de viktigaste celltyperna som ingår i hjärtlapparna för att minimera immunresponsen i implantaten.
Forskningen har publicerats i tidskriften Nature Communications och har finansierats av National Institutes of Health.