生物医学エンジニアのチームは、死んだ心筋を修復するパッチとして使用できる完全に機能する人工ヒト心筋を開発しました。
デューク大学の生物医学エンジニアは、以前に心臓発作を起こしたヒト患者に使用するパッチを開発しました。
「現在、事実上すべての既存の治療法は、すでに心臓に加わっている損傷による症状を軽減することを目的としていますが、一度死んだ筋肉は自力で再生しないため、失われた筋肉を交換するアプローチはありませんでした」と、デューク大学の生体医工学博士課程学生でこの研究の第一著者であるIlia Shadrin氏はプレス リリースで述べています。 「これは、失われた筋肉を体外で作られた組織で置き換える方法です」
心臓発作の後、心臓はそれ自体を自然に再生することができなくなります。 瘢痕組織が死んだ筋肉に取って代わり、電気信号はもはや収縮に伝達されないので、心拍は心臓発作の前ほど強くも滑らかでもないことになります。 CDCによると、およそ570万人のアメリカ人が心不全を患っています。 心不全と診断された人のほぼ半数は、5年以内に死亡します。
研究者は、骨髄、血液、または心臓から幹細胞を使用し、損傷した筋肉を補充するために、それらを損傷部位に移植するテストを行っています。 しかし、注入された細胞のうち、生き残って心臓にとどまることができるのは1％未満で、心筋細胞になるのはさらに少量です。
死んだ心筋の上に移植された心臓パッチは、心臓が電気信号を動かすのに必要な力を与えながら、より長期間にわたって活動し続けることができます。 このパッチは、酵素や成長因子を分泌して、死んでいない損傷した組織を助けることもできます。
デューク大学が開発した心臓パッチは、損傷部分をカバーできるほど大きく、死んだ心筋細胞を修復する選択肢となるほどの強度と電気的活性を持つ、初の人工心筋パッチです。
「個々の心筋細胞を作ることはごく当たり前のことですが、人々は薬物開発のためにミニチュア組織を育てることに集中してきました」と、デューク大学の生体医工学教授であるNenad Bursac氏は述べています。 「このサイズに拡大することは、これまでにないことであり、多くの工学的工夫が必要でした」
細胞は、体内のあらゆる種類の細胞に変化できるヒト多能性幹細胞から育てられたものです。 心臓の細胞は、心筋細胞、線維芽細胞、内皮細胞、平滑筋細胞から増殖させることが可能です。 細胞、支持構造、成長因子、栄養素、および培養条件を適切に組み合わせることで、大規模で完全に機能するヒト心臓組織パッチを成長させるのに適した環境を作り出すことができ、研究チームはこのプロセスに何年も取り組んできました。
「栄養供給を改善するためにサンプルを揺らして浴びせ、水をかけることが非常に重要であることがわかりました」とシャドリン教授は述べています。 「静的なサンプルと比較して、揺動培養では 3 ～ 5 倍も良い結果が得られました」
結果は、彼らが以前に開発した他の 1 平方センチと 4 平方センチのパッチよりも優れていました。 パッチを 16 平方センチ、厚さ 5 ～ 8 細胞と大きくした後、心筋は、正常で健康な心臓を模倣した電気的、機械的、構造的特性を持ち、完全に機能することが示されました」
「これは非常に難しいことです。 「同様に難しいのは、組織を5週間という速いタイムスケールで成人の強度まで成熟させながら、通常の人間の発達に何年もかかる特性を達成することです」
心臓パッチはマウスとラットの心臓でテストされ、移植後に生存、血管形成、機能維持することができました。 研究者らは、心臓パッチがヒトの患者において死んだ心筋の代替となるためには、彼らが開発したものよりも厚くする必要があることを示唆している。 パッチは、細胞が十分な酸素と栄養を得られるように血管化される必要があり、人間の心臓で心筋を機能させるのに十分な厚さにする必要があるのだそうだ。
「そのような完全な統合は、心臓の機械的なポンプ機能を改善するだけでなく、電気波のスムーズな広がりを確保し、不整脈のリスクを最小限に抑えるために、本当に重要です」と、Shadrinは述べました。
シャロンとバーサックは、アラバマ大学の研究者の助けを借りて、ブタの心臓にパッチを組み込むことを計画しており、ウィスコンシン大学マディソン校の研究者は、移植における免疫反応を最小限に抑えるために、心臓パッチを構成する主要細胞タイプを作るための改良幹細胞の開発に取り組む予定です。