Zespół inżynierów biomedycznych opracował w pełni funkcjonujący sztuczny ludzki mięsień sercowy, który może być stosowany jako plaster do naprawy martwego mięśnia sercowego.
Inżynierowie biomedyczni z Uniwersytetu Duke’a opracowali plaster do stosowania u ludzkich pacjentów, którzy wcześniej doznali ataku serca.
„W tej chwili praktycznie wszystkie istniejące terapie mają na celu zmniejszenie objawów uszkodzeń, które już zostały dokonane w sercu, ale żadne podejście nie było w stanie zastąpić mięśnia, który został utracony, ponieważ po śmierci nie odrasta samodzielnie”, Ilia Shadrin, doktorant inżynierii biomedycznej na Uniwersytecie Duke’a i pierwszy autor badania, powiedział w komunikacie prasowym. „Jest to sposób, w jaki moglibyśmy zastąpić utracony mięsień tkanką wytworzoną poza organizmem.”
Po ataku serca, serce nie jest w stanie naturalnie się zregenerować. Tkanka bliznowata zastępuje martwe mięśnie, a sygnały elektryczne nie są już przekazywane do skurczonych, co oznacza, że bicie serca nie będzie tak silne lub tak gładkie jak przed atakiem serca.
Gdy serce nie jest w stanie samo się zregenerować, dochodzi do niewydolności serca. Około 5,7 mln Amerykanów ma niewydolność serca, zgodnie z CDC. Prawie połowa osób, u których zdiagnozowano niewydolność serca, umrze w ciągu pięciu lat.
Badacze testowali wykorzystanie komórek macierzystych ze szpiku kostnego, krwi lub serca i wszczepianie ich do uszkodzonego obszaru w celu uzupełnienia uszkodzonych mięśni. Jednak mniej niż 1% wstrzykniętych komórek jest w stanie przeżyć i pozostać w sercu, a jeszcze mniejsza ilość staje się komórkami mięśnia sercowego.
Łaty sercowe wszczepione nad martwymi mięśniami serca są w stanie pozostać aktywne przez dłuższy okres czasu, dając sercu siłę, której potrzebuje, aby sygnały elektryczne mogły się przez nie przemieszczać. Łaty te są również w stanie wydzielać enzymy i czynniki wzrostu, które pomagają uszkodzonym tkankom, które nie umarły.
Opracowana przez Uniwersytet Duke’a łata na serce jest pierwszą sztuczną łatą na mięsień sercowy, która jest zarówno wystarczająco duża, aby pokryć uszkodzony obszar, jak i wystarczająco silna i aktywna elektrycznie, aby stanowić opcję w naprawie martwych komórek mięśnia sercowego.
„Tworzenie pojedynczych komórek mięśnia sercowego jest dość powszechne, ale ludzie skupiali się na hodowaniu miniaturowych tkanek dla rozwoju leków”, powiedział Nenad Bursac, profesor inżynierii biomedycznej na Duke University. „Skalowanie go do tego rozmiaru jest czymś, co nigdy nie zostało zrobione i wymagało wiele inżynierskiej pomysłowości.”
Komórki są hodowane z ludzkich pluripotentnych połączeń macierzystych, które mogą przekształcić się w każdy typ komórek w organizmie. Komórki serca mogą być hodowane z kardiomiocytów, fibroblastów oraz komórek śródbłonka i mięśni gładkich. Właściwa kombinacja komórek, struktur wspierających, czynników wzrostu, składników odżywczych i warunków hodowli może stworzyć odpowiednie środowisko do wzrostu dużych, w pełni funkcjonalnych ludzkich łat tkanki serca, proces, nad którym zespół badawczy pracował od lat.
„Okazuje się, że kołysanie próbek w celu wykąpania i rozpryskiwania ich w celu poprawy dostarczania składników odżywczych jest niezwykle ważne”, powiedział Shadrin. „Uzyskaliśmy trzy do pięciu razy lepsze wyniki z kołysania kultur w porównaniu do naszych statycznych próbek.”
Wyniki były lepsze, że inne 1 cm kw. i 4 cm kw. łaty, które wcześniej opracowali. Po zrobieniu łat większych na 16 cm kw. i grubości od pięciu do ośmiu komórek, mięsień sercowy okazał się w pełni funkcjonalny z właściwościami elektrycznymi, mechanicznymi i strukturalnymi, które naśladowały normalne, zdrowe serce.
„Jest to niezwykle trudne do zrobienia, ponieważ im większa tkanka, która jest uprawiana, tym trudniej jest utrzymać te same właściwości w całym nim,” powiedział Bursac. „Równie trudnym zadaniem było doprowadzenie tkanek do stanu dojrzałości w szybkim czasie pięciu tygodni przy jednoczesnym osiągnięciu właściwości, które zazwyczaj wymagają lat normalnego rozwoju człowieka.”
Płatki sercowe zostały przetestowane na sercach myszy i szczurów i były w stanie przetrwać, stać się unaczynione i pozostać funkcjonalne po wszczepieniu. Naukowcy sugerują, że aby łata sercowa mogła skutecznie zastąpić martwy mięsień sercowy u ludzi, musiałaby być grubsza niż ta, którą opracowali. Łaty muszą być unaczynione, aby komórki mogły otrzymać wystarczającą ilość tlenu i składników odżywczych, aby były wystarczająco grube, by mogły funkcjonować jak mięsień sercowy w ludzkim sercu.
„Pełna integracja, jak to jest naprawdę ważne, nie tylko w celu poprawy mechanicznego pompowania serca, ale w celu zapewnienia płynnego rozprzestrzeniania się fal elektrycznych i zminimalizowania ryzyka arytmii,” powiedział Shadrin.
„Aktywnie pracujemy nad tym, podobnie jak inni, ale na razie jesteśmy podekscytowani, że mamy 'rozmiar ma znaczenie’ część figured out,” Bursac powiedział.
Sharon i Bursac planują zintegrować łaty z sercami świń z pomocą badaczy z Uniwersytetu w Alabamie, podczas gdy badacze z Uniwersytetu Wisconsin-Madison będą pracować nad rozwojem ulepszonych komórek macierzystych do tworzenia głównych typów komórek, które tworzą łaty sercowe, aby zminimalizować reakcję immunologiczną w implantach.
Badania zostały opublikowane w czasopiśmie Nature Communications i zostały sfinansowane przez National Institutes of Health.
.