Een team van biomedische ingenieurs heeft een volledig functionerende kunstmatige menselijke hartspier ontwikkeld die als patch kan worden gebruikt om dode hartspieren te herstellen.
Duke University biomedische ingenieurs hebben de patch ontwikkeld om te worden gebruikt bij menselijke patiënten die eerder een hartaanval hebben gehad.
“Op dit moment zijn vrijwel alle bestaande therapieën gericht op het verminderen van de symptomen van de schade die al is toegebracht aan het hart, maar geen enkele aanpak is in staat geweest om de spier die verloren is gegaan te vervangen, omdat als het eenmaal dood is, het niet uit zichzelf teruggroeit,” Ilia Shadrin, een biomedische engineering doctoraal student aan de Duke University en eerste auteur van de studie, zei in een persbericht. “Dit is een manier waarop we verloren spieren kunnen vervangen door weefsel dat buiten het lichaam is gemaakt.”
Na een hartaanval is het hart niet in staat om zichzelf op natuurlijke wijze te regenereren. Littekenweefsel vervangt dode spieren en elektrische signalen worden niet langer doorgegeven aan de samentrekkingen, wat betekent dat een hartslag niet zo sterk of soepel zal zijn als voor de hartaanval.
Wanneer het hart niet in staat is zichzelf te regenereren, treedt hartfalen op. Ongeveer 5,7 miljoen Amerikanen hebben hartfalen, volgens de CDC. Bijna de helft van de mensen bij wie hartfalen is vastgesteld, zal binnen vijf jaar overlijden.
Onderzoekers hebben stamcellen uit beenmerg, bloed of het hart getest en deze in het beschadigde gebied geïmplanteerd om de beschadigde spieren aan te vullen. Minder dan 1% van de geïnjecteerde cellen is echter in staat te overleven en in het hart te blijven en een nog kleiner aantal wordt hartspiercel.
Hartpleisters die over dode hartspieren worden geïmplanteerd, zijn in staat langer actief te blijven en het hart de kracht te geven die het nodig heeft om elektrische signalen door het hart te laten bewegen. De patches zijn ook in staat om enzymen en groeifactoren af te scheiden die beschadigd weefsel helpen dat niet is afgestorven.
De door de Duke University ontwikkelde hartpleister is de eerste kunstmatige hartspierpleister die zowel groot genoeg is om het beschadigde gebied te bedekken als sterk en elektrisch actief genoeg is om een optie te zijn bij het repareren van dode hartspiercellen.
“Het maken van individuele hartspiercellen is vrij gebruikelijk, maar mensen hebben zich gericht op het kweken van miniatuurweefsels voor de ontwikkeling van medicijnen,” zei Nenad Bursac, hoogleraar biomedische techniek aan de Duke University. “Het opschalen naar deze grootte is iets dat nog nooit is gedaan en het vereiste veel ingenieursvernuft.”
De cellen worden gekweekt uit menselijke pluripotente stamcellen die kunnen transformeren in elk celtype in het lichaam. Hartcellen kunnen worden gekweekt uit cardiomyocyten, fibroblasten en endotheel- en gladde spiercellen. De juiste combinatie van cellen, ondersteunende structuren, groeifactoren, voedingsstoffen en kweekomstandigheden kan de juiste omgeving creëren om grote, volledig functionele menselijke hartweefselpatches te kweken, een proces waaraan het onderzoeksteam jarenlang heeft gewerkt.
“Het blijkt dat het schommelen van de monsters om ze te baden en te spetteren om de voedingsstoffentoevoer te verbeteren uiterst belangrijk is,” zei Shadrin. “We behaalden drie- tot vijfmaal betere resultaten met de schommelende culturen in vergelijking met onze statische monsters.”
De resultaten waren beter dan andere patches van 1 vierkante cm en 4 vierkante cm die ze eerder ontwikkelden. Na het groter maken van de patches op 16 vierkante cm en vijf tot acht cellen dik, werd aangetoond dat de hartspier volledig functioneel was met elektrische, mechanische en structurele eigenschappen die een normaal, gezond hart nabootsten.
“Dit is uiterst moeilijk om te doen, omdat hoe groter het weefsel is dat wordt gekweekt, hoe moeilijker het is om overal dezelfde eigenschappen te behouden,” zei Bursac. “Even uitdagend is geweest om de weefsels te laten rijpen tot volwassen sterkte op een snelle tijdschaal van vijf weken, terwijl eigenschappen worden bereikt die typisch jaren van normale menselijke ontwikkeling vergen.”
De hartpatches zijn getest in muizen- en rattenharten en zijn in staat gebleken om te overleven, gevasculariseerd te raken en functioneel te blijven na implantatie. De onderzoekers suggereren dat om de hartpleister een levensvatbare vervanging van dode hartspier bij menselijke patiënten te laten zijn, deze dikker zou moeten zijn dan wat zij hebben ontwikkeld. De patches moeten worden gevasculariseerd, zodat cellen genoeg zuurstof en voedingsstoffen kunnen krijgen om dik genoeg te zijn om te functioneren heeft hartspier in het menselijk hart.
“Zo’n volledige integratie is echt belangrijk, niet alleen om het mechanische pompen van het hart te verbeteren, maar ook om te zorgen voor een soepele verspreiding van elektrische golven en het risico op hartritmestoornissen te minimaliseren,” zei Shadrin.
“We werken daar actief aan, net als anderen, maar voor nu zijn we blij dat we het ‘size matters’-gedeelte hebben uitgedokterd,” zei Bursac.
Sharon en Bursac zijn van plan om de patches in varkensharten te integreren met de hulp van onderzoekers aan de Universiteit van Alabama, terwijl onderzoekers aan de Universiteit van Wisconsin-Madison zullen werken aan de ontwikkeling van verbeterde stamcellen om de belangrijkste celtypen te maken waaruit hartpatches bestaan om de immuunrespons bij implantaten te minimaliseren.
Het onderzoek is gepubliceerd in het tijdschrift Nature Communications en werd gefinancierd door de National Institutes of Health.