Ryhmä biolääketieteen insinöörejä on kehittänyt täysin toimivan keinotekoisen ihmissydänlihaksen, jota voidaan käyttää laastarina kuolleen sydänlihaksen korjaamiseen.
Duke-yliopiston biolääketieteen insinöörit kehittelivät laastarin käytettäväksi ihmispotilailla, jotka ovat jo aiemmin kärsineet sydänkohtauksen.
”Tällä hetkellä käytännöllisesti katsoen kaikki nykyiset hoitomuodot pyrkivät vähentämään oireita, jotka johtuvat sydämelle jo aiheutuneista vaurioista, mutta millään lähestymistavalla ei ole pystytty korvaamaan menetettyä lihasta, sillä kun se on kerran kuollut, se ei kasva itsestään takaisin”, Duken yliopiston biolääketieteellisen tekniikan tohtorikoulutettava ja tutkimuksen ensimmäinen kirjoittaja Ilia Shadrin sanoi lehdistötiedotteessa. ”Tämä on tapa, jolla voisimme korvata menetetyn lihaksen kehon ulkopuolella valmistetulla kudoksella.”
Sydän ei pysty sydänkohtauksen jälkeen uusiutumaan luonnollisesti. Arpikudos korvaa kuolleen lihaksen eikä sähköisiä signaaleja enää välitetä supistuksiin, mikä tarkoittaa, että sydämen syke ei ole yhtä voimakas tai tasainen kuin ennen sydänkohtausta.
Kun sydän ei kykene uudistumaan, syntyy sydämen vajaatoiminta. CDC:n mukaan noin 5,7 miljoonalla amerikkalaisella on sydämen vajaatoiminta. Lähes puolet sydämen vajaatoimintadiagnoosin saaneista kuolee viiden vuoden kuluessa.
Tutkijat ovat testanneet luuytimestä, verestä tai sydämestä peräisin olevien kantasolujen käyttämistä ja niiden istuttamista vaurioituneelle alueelle vaurioituneen lihaksen täydentämiseksi. Kuitenkin alle 1 % ruiskutetuista soluista pystyy selviytymään ja jäämään sydämeen, ja vielä pienemmästä osasta tulee sydänlihassoluja.
Kuolleiden sydänlihasten päälle istutetut sydänlaastarit pystyvät pysymään aktiivisina pidemmän aikaa antaen samalla sydämelle sen tarvitsemaa voimaa, jotta sähköiset signaalit voivat liikkua sen läpi. Laastarit pystyvät myös erittämään entsyymejä ja kasvutekijöitä, jotka auttavat vaurioituneita kudoksia, jotka eivät ole kuolleet.
Duken yliopiston kehittämä sydänlaastari on ensimmäinen keinotekoinen sydänlihaslaastari, joka on sekä riittävän suuri peittämään vaurioituneen alueen että riittävän vahva ja sähköisesti aktiivinen ollakseen vaihtoehto kuolleiden sydänlihassolujen korjaamiseen.
”Yksittäisten sydänlihassolujen luominen on melko tavallista, mutta ihmiset ovat keskittyneet kasvattamaan miniatyyrikudoksia lääkekehitystä varten”, sanoo Duken yliopiston biolääketieteellisen tekniikan professori Nenad Bursac. ”Sen kasvattaminen tähän kokoon on jotain, mitä ei ole koskaan tehty, ja se vaati paljon teknistä kekseliäisyyttä.”
Solut kasvatetaan ihmisen pluripotenttisista kantasoluista, jotka voivat muuntua kehossa mihin tahansa solutyyppiin. Sydänsoluja voidaan kasvattaa kardiomyosyyteistä, fibroblasteista sekä endoteeli- ja sileälihassoluista. Oikea yhdistelmä soluja, tukirakenteita, kasvutekijöitä, ravinteita ja viljelyolosuhteita voi luoda oikean ympäristön suurten, täysin toimintakykyisten ihmissydänkudoslaastareiden kasvattamiseen, prosessia, jonka parissa tutkimusryhmä on työskennellyt vuosia.
”Kävi ilmi, että näytteiden keinuttaminen kylpemiseksi ja roiskuttelemiseksi ravinteiden saannin parantamiseksi on äärimmäisen tärkeää”, Shadrin sanoi. ”Saimme kolme-viisi kertaa parempia tuloksia keinuvilla viljelmillä verrattuna staattisiin näytteisiimme.”
Tulokset olivat parempia kuin muilla 1 neliösenttimetrin ja 4 neliösenttimetrin laastareilla, joita he olivat aiemmin kehittäneet. Kun laastareista oli tehty suurempia, 16 neliösenttimetriä ja viidestä kahdeksaan solun paksuisia, sydänlihaksen osoitettiin olevan täysin toimintakykyinen, ja sen sähköiset, mekaaniset ja rakenteelliset ominaisuudet jäljittelivät normaalia, tervettä sydäntä.
”Tämä on äärimmäisen vaikeaa, sillä mitä suurempaa kudosta kasvatetaan, sitä vaikeampaa on ylläpitää samoja ominaisuuksia koko kudoksessa”, Bursac sanoi. ”Yhtä haastavaa on ollut saada kudokset kypsymään aikuisen vahvuisiksi viiden viikon nopealla aikataululla ja samalla saavuttaa ominaisuuksia, jotka tavallisesti vievät vuosia ihmisen normaalissa kehityksessä.”
Sydänlaastareita on testattu hiirten ja rottien sydämissä, ja ne ovat kyenneet selviytymään, verisuonittumaan ja pysymään toimintakykyisinä istutuksen jälkeen. Tutkijat ehdottavat, että jotta sydänlaastari voisi korvata kuolleen sydänlihaksen elinkelpoisesti ihmispotilailla, sen pitäisi olla paksumpi kuin heidän kehittämänsä. Laastareiden on oltava verisuonitettuja, jotta solut saavat riittävästi happea ja ravinteita, jotta ne olisivat tarpeeksi paksuja toimiakseen on sydänlihas ihmissydämessä.
”Tällainen täysi integraatio on todella tärkeää, ei vain sydämen mekaanisen pumppauksen parantamiseksi, vaan myös sähköisten aaltojen tasaisen leviämisen varmistamiseksi ja rytmihäiriöiden riskin minimoimiseksi”, Shadrin sanoi.
”Työskentelemme aktiivisesti sen parissa, kuten muutkin, mutta toistaiseksi olemme innoissamme siitä, että saimme ’koolla on väliä’ -osuuden selvitettyä”, Bursac sanoi.
Sharon ja Bursac aikovat integroida laastarit sikojen sydämiin Alabaman yliopiston tutkijoiden avustuksella, kun taas Wisconsin-Madisonin yliopiston tutkijat työskentelevät parempien kantasolujen kehittämiseksi, jotta voidaan luoda tärkeimmät solutyypit, joista sydänlaastarit koostuvat, jotta voidaan minimoida immuunivaste implanteissa.
Tutkimus julkaistiin Nature Communications -tiedelehdessä, ja sen rahoitti Kansallinen Terveysinstituutti (National Institutes of Health)
.