Tkáňové inženýrství: Jak vybudovat srdce

Doris Taylorová to nebere jako urážku, když jí lidé říkají doktor Frankenstein. „Byla to vlastně jedna z větších komplimentů, které jsem dostal —“ říká-potvrzení, že její výzkum posouvá hranice možného. Vzhledem k povaze její práce jako ředitel regenerativní medicíny výzkum v Texas Heart Institute v Houstonu, Taylor se přiznat, že srovnání je apt. Ona pravidelně sklizně orgánů, jako jsou srdce a plíce od nově mrtvých, re-inženýrů je od buněk a snaží se je přivést zpět k životu v naději, že by mohli porazit, nebo dýchat znovu v život.

Taylor je v čele vědci chtějí inženýr celé nové orgány, aby transplantace bez rizika odmítnutí příjemce imunitní systém. Strategie je v zásadě dost jednoduchá. Nejprve odstraňte všechny buňky od mrtvých varhany — to ani nemusí být z lidské — pak proteinové lešení pozadu a osídlit je s kmenové buňky imunologicky uzavřeno, aby pacient v nouzi. Voila! Ochromující nedostatek transplantovatelných orgánů po celém světě je vyřešen.

v praxi je však tento proces sužován obrovskými výzvami. Vědci již měl nějaký úspěch s rostoucí a přesazování dutý, poměrně jednoduché orgánů, jako tracheas a močové měchýře (viz go.nature.com/zvuxed). Ale rostoucí pevných orgánů, jako jsou ledviny nebo plíce znamená dostat desítky typů buněk v přesně správné pozice, a současně rostoucí kompletní sítí krevních cév, aby je udržel naživu. Nové orgány musí být sterilní, schopné růst, pokud je pacient mladý, a alespoň nominálně schopné se opravit. A co je nejdůležitější, musí pracovat-ideálně po celý život. Srdce je třetím nejpotřebnějším orgánem po ledvinách a játrech, s čekacím seznamem asi 3500 ve Spojených státech, ale představuje další výzvy pro transplantaci a bioinženýrství. Srdce musí neustále bít, aby pumpovalo asi 7 000 litrů krve denně bez zálohy. Má komory a ventily konstruované z několika různých typů specializovaných svalových buněk zvaných kardiomyocyty. A dárcovská srdce jsou vzácná, protože jsou často poškozena onemocněním nebo resuscitačním úsilím, takže by byl vítán stálý přísun bioinženýrských orgánů.

Taylor, který vedl některé z prvních úspěšných experimentů k vybudování krysích srdcí1, je optimistický ohledně této konečné výzvy v tkáňovém inženýrství. „Myslím, že je to mimořádně proveditelné,“ říká a rychle dodává, “ nemyslím si, že je to jednoduché.“Někteří kolegové jsou méně optimističtí. Paola Macchiariniho, hrudní chirurg a vědec v Institutu Karolinska ve Stockholmu, který má transplantované bio tracheas do několika pacientů, říká, že i když tkáňové inženýrství by se mohla stát rutina pro výměnu trubkových struktur, jako jsou průdušky, tepny a oesophagi, že je „nejsem si jistý, že se to stane s více složitých orgánů“.

přesto může být úsilí užitečné, i když selže, říká Alejandro Soto-Gutiérrez, výzkumník a chirurg na University of Pittsburgh v Pensylvánii. „Kromě toho, sen o rozhodování orgánů pro transplantace, existuje mnoho věcí, které se můžeme naučit z těchto systémů,“ říká — včetně lepší základní znalosti buněčné organizace v centru a nové nápady o tom, jak opravit.

NIK SPENCER/PŘÍRODA

lešení

Pro více než deset let, biologové byli schopni proměnit embryonálních kmenových buněk do tlukoucí srdce-svalové buňky v misce. S trochou elektrické stimulace zvenčí, tyto upravené srdeční buňky dokonce spadají do kroku a udržují synchronní tlukot celé hodiny.

Ale jak se od záškuby kuličky v Petriho misce na práci srdce volá pro lešení k uspořádání buněk ve třech dimenzích. Vědci mohou být nakonec schopni vytvořit takové struktury trojrozměrným tiskem – jak bylo prokázáno na začátku tohoto roku s umělou průdušnicí2 (viz Nature http://doi.org/m2q; 2013). V dohledné budoucnosti je však složitá struktura lidského srdce mimo dosah i těch nejnáročnějších strojů. To platí zejména pro složité sítě kapilár, které musí zásobovat srdce kyslíkem a živinami a odstraňovat odpadní produkty z hloubky jeho tkání. „Prokrvení je hlavní výzvou,“ říká Anthony Atala, urolog na Wake Forest University ve Winston-Salem v Severní Karolíně, který má implantován bio močové měchýře do patients3, a pracuje na budování ledvin (viz Přírody http://doi.org/dw856h; 2006).

hlavní techniky pro budoucí stavitele srdce obecně zahrnují opětovné použití toho, co biologie již vytvořila. Jeden dobré místo, aby viděli, jak se to dělá, je Massachusetts General Hospital v Bostonu, kde Harald Ott, chirurg a regenerativní medicína výzkumník, demonstruje metody, které vyvinul, zatímco školení pod Taylor v polovině 2000s.

Pozastavena plastové trubky do bubnu ve tvaru komora ze skla a plastu je čerstvé lidské srdce. Nedaleko je čerpadlo, které tiše tlačí prací prostředek trubicí, která vede do aorty srdce. Tok síly aortální chlopně zavřené a odešle pracího prostředku prostřednictvím sítě krevních cév, které fed svalu, dokud jeho majitel zemřel před několika dny. V průběhu asi týden, vysvětluje, Ott, tento tok pracího prostředku bude odmyslíme lipidy, DNA, rozpustné proteiny, cukry a téměř všechny ostatní buněčného materiálu od srdce, takže jen bledá ok kolagenu, laminins a další strukturální proteiny: ‚extracelulární matrix, které kdysi držel orgánu společně.

srdce lešení nemusí být lidské. Prasata jsou slibná: nesou všechny klíčové složky extracelulární matrice, ale je nepravděpodobné, že by přenášely lidské nemoci. A jejich srdce jsou zřídka oslabena nemocí nebo resuscitačním úsilím. „Prasečí tkáně jsou mnohem bezpečnější než lidé a existuje neomezená nabídka,“ říká Stephen Badylak, výzkumník regenerativní medicíny na University of Pittsburgh.

ošemetná část, Ott říká, je zajistit, aby prací prostředek rozpustil správné množství materiálu. Odstraňte příliš málo a matrice by si mohla uchovat některé molekuly buněčného povrchu, které mohou vést k odmítnutí imunitním systémem příjemce. Strip pryč příliš mnoho, a to by mohlo přijít o důležité proteiny a růstové faktory, které vyprávějí nově zavedené buňky, kde je dodržovat a jak se chovat. „Pokud můžete použít mírnější agent a kratším časovém horizontu, můžete získat více z přestavby reakci,“ říká Thomas Gilbert, který studuje decellularization na ACell, společnost v Columbii, Marylandu, která produkuje extracelulární matrice produkty regenerativní medicíny.

Prostřednictvím pokusů a omylů, posílení koncentrace, načasování a tlaku detergenty, vědci rafinované decellularization proces na stovky srdce a dalších orgánů. Je to pravděpodobně nejlépe rozvinutá fáze podniku vytvářejícího orgány, ale je to jen první krok. Dále musí být lešení znovu osídleno lidskými buňkami.

buňky

‚Recellularization‘ zavádí další zabil výzvy, říká Jason Wertheim, chirurg na Feinberg School Northwestern University of Medicine v Chicagu, Illinois. „Za prvé, jaké buňky používáme? Za druhé, kolik buněk použijeme? A za třetí, měly by to být zralé buňky, embryonální kmenové buňky, iPS buňky? Jaký je optimální zdroj buněk?“

použití zralých buněk je přinejmenším obtížné, říká Taylor. „Nemůžete přimět dospělé kardiocyty k proliferaci,“ říká. „Kdybys mohl, vůbec bychom se o tom nebavili“ — protože poškozená srdce by se mohla opravit sama a nebylo by třeba transplantací.

Většina výzkumníků v oblasti použití směsi dvou nebo více typů buněk, jako jsou endoteliální kmenové buňky, aby se linie cév a svalů předci na osivo stěny komory. Ott byl odvozených z iPS buněk — dospělé buňky přeprogramovat do embryonálních kmenových buněk, jako stát pomocí růstové faktory — ty totiž mohou být odebrány od pacienta v nouzi, a používá, aby se imunologicky uzavřeno tkání.

přístup iPS-buněk by v zásadě mohl poskytnout novému srdci celou sadu buněčných typů, včetně vaskulárních buněk a několika odrůd buněk srdečního svalu. V praxi se však dostává do vlastních problémů. Jedním z nich je naprostá velikost lidského srdce. Čísla jsou vážně podhodnocena, říká Ott. „Jedna věc je vytvořit milion buněk; další vyrobit 100 milionů nebo 50 miliard buněk.“A vědci nevědí, zda budou správné typy buněk růst, když se buňky iPS použijí k rekapitulaci embryonálního vývoje v dospělém srdečním lešení.

OTT LAB / MASSACHUSETTS GENERAL HOSPITAL

decellularizované lidské srdce čeká na přestavbu injekcí prekurzorových buněk.

když kolonizují lešení, některé nezralé buňky se zakoření a začnou růst. Ale nutit je, aby se stali funkčními, bití kardiomyocytů vyžaduje více než jen okysličená média a růstové faktory. „Buňky vnímají své prostředí,“ říká Angela Panoskaltsis-Mortari, která se snaží vybudovat plíce pro transplantaci na univerzitě v Minnesotě v Minneapolisu. „Necítí jen faktory. Cítí tuhost a mechanické namáhání, “ což zase tlačí buňky dolů jejich správnou vývojovou cestou.

takže vědci musí dát srdce do bioreaktoru, který napodobuje pocit bití. Ott bioreaktory použít kombinaci elektrických signálů — podobně jako kardiostimulátor — pomoci k synchronizaci bití kardiomyocyty nasazený na popravišti, v kombinaci s fyzickou bití pohyby vyvolané čerpadlem (viz ‚Vlastní orgánů). Ale vědci čelit neustálý boj ve snaze opice podmínky přítomny v lidském těle, jako jsou změny v srdeční frekvenci a krevní tlak, nebo přítomnost drog. „Tělo reaguje na věci a mění podmínky tak rychle, že je pravděpodobně nemožné napodobit to v bioreaktoru,“ říká Badylak.

Když Taylor a Ott byly první rozvojových bioreaktory, pro decellullarized a naplnit krysí srdce, museli se učit za pochodu. „V laboratoři bylo hodně lepicí pásky,“ říká Ott. Nakonec však srdce dokázala po osmi až deseti dnech v bioreaktoru porazit sama a produkovat zhruba 2% čerpací kapacity normálního srdce dospělých potkanů1. Taylor říká, že od té doby dostala srdce od potkanů a větších savců, aby pumpovala až 25% normální kapacity, i když data dosud nezveřejnila. Ona a Ott jsou přesvědčeni, že jsou na správné cestě.

beat

poslední výzva je jednou z nejtěžších: umístit nově pěstované, upravené srdce do živého zvířete a udržet ho bít po dlouhou dobu.

integrita vaskulatury je první bariérou. Jakýkoli nahý kousek matrice slouží jako živná půda pro sraženiny, které by mohly být fatální pro orgán nebo zvíře. „Budete potřebovat docela neporušený endotel, který obloží každou nádobu, nebo budete mít srážení nebo únik,“ říká Gilbert.

Ott prokázal, že upravené orgány mohou nějakou dobu přežít. Jeho skupina transplantovala jedinou bioinženýrskou plíci do krysy, což ukazuje, že by mohla podporovat výměnu plynu za zvíře, ale vzdušný prostor se poměrně rychle naplnil tekutiny4. A zkonstruovaná rat-transplantace ledvin, že Ott group oznámila na počátku tohoto roku přežil bez srážení, ale měl jen minimální možnost filtrovat moč, pravděpodobně proto, že proces není produkován dostatek buněčné typy potřebné kidney5 (viz Přírody http://doi.org/m2r; 2013). Ottův tým a další implantovali rekonstruovaná srdce do krys, obvykle do krku, do břicha nebo vedle vlastního srdce zvířete. Ale i když vědci mohou krmit orgány krví a přimět je, aby na chvíli porazili, žádné ze srdcí nebylo schopno podporovat funkci čerpání krve. Vědci musí prokázat, že srdce má mnohem vyšší schopnost fungovat, než ho mohou transplantovat do zvířete většího než krysa.

se srdcem, říká Badylak, „musíte začít s něčím, co může fungovat docela dobře“ od okamžiku, kdy je transplantace na místě. „Nemůžeš mít něco čerpání jen 1 nebo 2, nebo 5% ejekční frakce normální srdce a očekávat, že, aby se rozdíl,“ říká, s odkazem na společných opatření, čerpání účinnosti. Tam je malý prostor pro chyby. „Děláme jen dětské kroky,“ říká Panoskaltsis-Mortari. „Jsme tam, kde byli lidé s transplantací srdce před desítkami let.“

proces decellularizace kultivovaný Ott a dalšími již informuje o vývoji vylepšených tkáňových ventilů a dalších částí srdce a dalších orgánů. S bio ventilem, například, může trvat déle, než mechanické nebo mrtvých tkání, ventily, protože mají potenciál růst s pacientem a opravit sami. A jiné orgány nemusí být zcela nahrazeny. „Byl bych překvapen, kdyby v příštích 5-7 letech nevidíte pacienta implantovaného alespoň částí tepny, laloky plic, laloky jater,“ říká Badylak.

Taylor má podezření, že částečné přístupy by mohly pomoci pacientům se závažnými srdečními vadami, jako je hypoplastický syndrom levého srdce, u kterého je polovina srdce vážně nedostatečně rozvinutá. Obnovení druhé poloviny, „v podstatě vás nutí vybudovat většinu věcí, které potřebujete“, ona říká.

a toto úsilí by mohlo vést k poučení o vývoji buněčných terapií dodávaných do srdce. Vědci se například učí, jak se srdeční buňky vyvíjejí a fungují ve třech dimenzích. V budoucnu by částečná lešení, syntetická nebo z mrtvol, mohla umožnit novým buňkám osídlit poškozené oblasti srdce a opravit je jako záplaty.

sklenice strašidelných plovoucích orgánů se mohou zdát jako příšerná ozvěna Frankensteinova příběhu, ale Taylor říká, že její práce je prací lásky. „Jsou dny, kdy jdu:“ Ach můj Bože, do čeho jsem se dostal? Na druhou stranu stačí, když vám dítě zavolá a řekne: můžete pomoci mé matce? a to všechno stojí za to.“