Tissue engineering: hvordan man opbygger et hjerte

Doris Taylor tager det ikke som en fornærmelse, når folk kalder hende Dr. Frankenstein. “Det var faktisk en af de større komplimenter, jeg har fået,” siger hun — en bekræftelse på, at hendes forskning skubber grænserne for det mulige. I betragtning af arten af hendes arbejde som direktør for regenerativ medicinforskning ved Heart Institute i Houston, Taylor må indrømme, at sammenligningen er passende. Hun høster regelmæssigt organer som hjerter og lunger fra de nyligt døde, geningeniører dem fra cellerne og forsøger at bringe dem tilbage til livet i håb om, at de måske slår eller trækker vejret igen i de levende.

Taylor er i spidsen for forskere, der ønsker at konstruere hele nye organer for at muliggøre transplantationer uden risiko for afvisning af modtagerens immunsystem. Strategien er i princippet simpel nok. Fjern først alle cellerne fra et dødt organ — det behøver ikke engang at være fra et menneske — Tag derefter det proteinstillads, der er efterladt, og genbefolker det med stamceller, der er immunologisk tilpasset den patient, der har behov. Voil-Hr.! Den lammende mangel på transplanterbare organer rundt om i verden er løst.

i praksis er processen imidlertid plaget af enorme udfordringer. Forskere har haft en vis succes med at dyrke og transplantere hule, relativt enkle organer som luftrør og blærer (se go.nature.com/zvuxed). men voksende faste organer som nyrer eller lunger betyder at få snesevis af celletyper i nøjagtigt de rigtige positioner og samtidig vokse komplette netværk af blodkar for at holde dem i live. De nye organer skal være sterile, i stand til at vokse, hvis patienten er ung, og i det mindste nominelt i stand til at reparere sig selv. Vigtigst er det, at de skal arbejde — ideelt set i livet. Hjertet er det tredje mest nødvendige organ efter nyrerne og leveren, med en venteliste på omkring 3.500 i USA alene, men det udgør ekstra udfordringer for transplantation og bioengineering. Hjertet skal slå konstant for at pumpe omkring 7.000 liter blod om dagen uden en back-up. Det har kamre og ventiler Konstrueret af flere forskellige typer specialiserede muskelceller kaldet kardiomyocytter. Og donorhjerter er sjældne, fordi de ofte er beskadiget af sygdoms-eller genoplivningsindsats, så en stabil forsyning af bioengineerede organer ville være velkommen.

Taylor, der førte nogle af de første vellykkede eksperimenter til at bygge rottehjerte1, er optimistisk med hensyn til denne ultimative udfordring inden for vævsteknik. “Jeg synes, det er yderst gennemførligt, “siger hun og tilføjer hurtigt,” jeg synes ikke, det er enkelt.”Nogle kolleger er mindre optimistiske. Paolo Macchiarini, en brystkirurg og videnskabsmand ved Karolinska Institute i Stockholm, der har transplanteret bioengineerede luftrør til flere patienter, siger, at selvom vævsteknik kunne blive rutine til udskiftning af rørformede strukturer som vindrør, arterier og spiserør, er han “ikke sikker på, at dette vil ske med mere komplekse organer”.

men indsatsen kan være umagen værd, selvom den fejler, siger Alejandro Soto-Guti. “Udover drømmen om at lave organer til transplantation er der mange ting, vi kan lære af disse systemer,” siger han — herunder en bedre grundlæggende forståelse af celleorganisation i hjertet og nye ideer om, hvordan man løser en.

Nik SPENCER/natur

stilladset

i mere end et årti har biologer været i stand til at omdanne embryonale stamceller til at slå hjertemuskelceller i en skål. Med lidt elektrisk pacemaking udefra falder disse konstruerede hjerteceller endda i trin og opretholder synkron slag i timevis.

men at komme fra trækklatter i en petriskål til et fungerende hjerte kræver et stillads til at organisere cellerne i tre dimensioner. Forskere kan i sidste ende være i stand til at skabe sådanne strukturer med tredimensionel udskrivning-som det blev demonstreret tidligere i år med en kunstig trachea2 (Se natur http://doi.org/m2q; 2013). I overskuelig fremtid er den komplekse struktur af det menneskelige hjerte imidlertid uden for rækkevidde af selv de mest sofistikerede maskiner. Dette gælder især for de indviklede netværk af kapillærer, der skal forsyne hjertet med ilt og næringsstoffer og fjerne affaldsprodukter fra dybt inde i dets væv. “Vaskularisering er den største udfordring,” siger Anthony Atala, en urolog ved vågne Skov Universitet i North Carolina, der har implanteret bioingenierede blærer i patienter3 og arbejder på at opbygge nyrer (se Nature http://doi.org/dw856h; 2006).

de førende teknikker til blivende hjertebyggere involverer generelt genbrug af, hvad biologi allerede har skabt. Et godt sted at se, hvordan dette gøres, er Massachusetts General Hospital i Boston, hvor Harald Ott, en kirurg og regenerativ medicinforsker, demonstrerer en metode, som han udviklede under træning under Taylor i midten af 2000 ‘ erne.

suspenderet af plastrør i et tromleformet kammer lavet af glas og plast er et frisk menneskeligt hjerte. I nærheden ligger en pumpe, der roligt skubber vaskemiddel gennem et rør, der løber ind i hjertets aorta. Strømmen tvinger aortaklappen lukket og sender vaskemidlet gennem netværket af blodkar, der fodrede muskelen, indtil dens ejer døde et par dage før. I løbet af cirka en uge, forklarer Ott, vil denne strøm af vaskemiddel fjerne lipider, DNA, opløselige proteiner, sukkerarter og næsten alt det andet cellulære materiale fra hjertet, hvilket kun efterlader et blegt maske af kollagen, lamininer og andre strukturelle proteiner: den ‘ekstracellulære matrice’, der engang holdt organet sammen.

stilladshjertet behøver ikke at være menneske. Grise er lovende: de bærer alle de afgørende komponenter i den ekstracellulære matrice, men er usandsynligt at bære menneskelige sygdomme. Og deres hjerter svækkes sjældent af sygdom eller genoplivningsindsats. “Svinevæv er meget sikrere end mennesker, og der er en ubegrænset forsyning,” siger Stephen Badylak, en regenerativ medicinforsker ved University of Pittsburgh.

den vanskelige del, siger Ott, er at sikre, at vaskemidlet opløser den rigtige mængde materiale. Strip væk for lidt, og matricen kan bevare nogle af celleoverflademolekylerne, der kan føre til afvisning af modtagerens immunsystem. Strip væk for meget, og det kan miste vitale proteiner og vækstfaktorer, der fortæller nyligt introducerede celler, hvor de skal klæbe og hvordan de skal opføre sig. “Hvis du kan bruge et mildere middel og en kortere tidsramme, får du mere af et ombygningsrespons,” siger Thomas Gilbert, der studerer decellularisering hos ACell, et firma i Columbia, Maryland, der producerer ekstracellulære matricsprodukter til regenerativ medicin.

gennem forsøg og fejl, opskalering af vaskemidlernes koncentration, timing og tryk har forskere raffineret decellulariseringsprocessen på hundredvis af hjerter og andre organer. Det er sandsynligvis den bedst udviklede fase i den organgenererende virksomhed, men det er kun det første skridt. Dernæst skal stilladset genbefolkes med humane celler.

cellerne

‘Recellularisering’ introducerer en anden række udfordringer, siger Jason Vartheim, en kirurg ved det nordvestlige Universitets Feinberg School of Medicine i Chicago, Illinois. “En, hvilke celler bruger vi? To, hvor mange celler bruger vi? Og tre, skal de være modne celler, embryonale stamceller, iPS-celler? Hvad er den optimale cellekilde?”

brug af modne celler er mildt sagt vanskeligt, siger Taylor. “Du kan ikke få voksne cardiocytter til at sprede sig,” siger hun. “Hvis du kunne, ville vi slet ikke have denne samtale” — fordi beskadigede hjerter kunne reparere sig selv, og der ville ikke være behov for transplantationer.

de fleste forskere på området bruger en blanding af to eller flere celletyper, såsom endotelprecursorceller til linje blodkar og muskelforfædre til at frø væggene i kamrene. Ott har afledt disse fra IPS-celler-voksne celler omprogrammeret til en embryonal stamcellelignende tilstand ved hjælp af vækstfaktorer-fordi disse kan tages fra en patient i nød og bruges til at fremstille immunologisk matchede væv.

i princippet kunne IPS-celle-tilgangen give det nye hjerte sin fulde pakke af celletyper, herunder vaskulære celler og flere sorter af hjertemuskelcelle. Men i praksis løber det ind i sine egne problemer. Den ene er størrelsen af et menneskeligt hjerte. Tallene er alvorligt undervurderet, siger Ott. “Det er en ting at lave en million celler; en anden til at lave 100 millioner eller 50 milliarder celler.”Og forskere ved ikke, om de rigtige celletyper vil vokse, når iPS-celler bruges til at rekapitulere embryonal udvikling i et voksent hjertestillads.

OTT LAB / MASSACHUSETTS GENERAL HOSPITAL

et decellulariseret menneskeligt hjerte venter på genopbygning med en injektion af forløberceller.

når de koloniserer stilladset, vil nogle af de umodne celler slå rod og begynde at vokse. Men at opfordre dem til at blive funktionelle, at slå kardiomyocytter kræver mere end bare iltede medier og vækstfaktorer. “Celler fornemmer deres miljø,” siger Angela Panoskaltsis-Mortari, der har forsøgt at bygge lunger til transplantation ved University of Minnesota i Minneapolis. “De mærker ikke bare faktorerne. De fornemmer stivheden og den mekaniske belastning, ” som igen skubber cellerne ned ad deres rette udviklingsvej.

så forskere skal sætte hjertet i en bioreaktor, der efterligner følelsen af at slå. Otts bioreaktorer bruger en kombination af elektriske signaler — beslægtet med en pacemaker — for at hjælpe med at synkronisere de bankende kardiomyocytter, der er podet på stilladset, kombineret med fysiske bankende bevægelser induceret af en pumpe (se ’tilpassede organer’). Men forskere står over for en konstant kamp i forsøget på at ape de forhold, der er til stede i menneskekroppen, såsom ændringer i puls og blodtryk eller tilstedeværelsen af stoffer. “Kroppen reagerer på ting og ændrer forholdene så hurtigt, at det sandsynligvis er umuligt at efterligne det i en bioreaktor,” siger Badylak.

da Taylor og Ott først udviklede bioreaktorer, for decellullariserede og genbefolkede rottehjerter, måtte de lære, mens de gik sammen. “Der var meget tape i laboratoriet,” siger Ott. Men til sidst var hjerterne i stand til at slå på egen hånd efter otte til ti dage i bioreaktoren, hvilket producerede cirka 2% af pumpekapaciteten hos et normalt voksen rottehjerte1. Taylor siger, at hun siden har fået hjerter fra rotter og større pattedyr til at pumpe med så meget som 25% af den normale kapacitet, selvom hun endnu ikke har offentliggjort dataene. Hun og Ott er overbeviste om, at de er på den rigtige vej.

rytmen

den sidste udfordring er en af de sværeste: at placere et nyvoksen, konstrueret hjerte i et levende dyr og holde det bankende i lang tid.

vaskulaturens integritet er den første barriere. Enhver nøgen bit matrice tjener som grobund for blodpropper, der kan være dødelige for organet eller dyret. “Du har brug for et ret intakt endotel, der forer hvert fartøj, eller du vil have koagulering eller lækage,” siger Gilbert.

Ott har vist, at konstruerede organer kan overleve i et stykke tid. Hans gruppe har transplanteret en enkelt bioengineeret lunge til en rotte, hvilket viser, at det kunne understøtte gasudveksling for dyret, men luftrummet er ret hurtigt fyldt med fluider4. Og en konstrueret rotte-nyretransplantation, som Otts gruppe rapporterede tidligt i år, overlevede uden koagulering, men havde kun minimal evne til at filtrere urin, sandsynligvis fordi processen ikke havde produceret nok af de celletyper, der var nødvendige af nyrerne5 (se Nature http://doi.org/m2r; 2013). Otts hold og andre har implanteret rekonstruerede hjerter i rotter, generelt i nakken, i maven eller ved siden af dyrets eget hjerte. Men selvom forskerne kan fodre organerne med blod og få dem til at slå et stykke tid, har ingen af hjerterne været i stand til at understøtte blodpumpefunktionen. Forskerne skal vise, at et hjerte har meget højere evne til at fungere, før de kan transplantere det til et dyr, der er større end en rotte.

med hjertet, siger Badylak, “du skal starte med noget, der kan fungere ret godt” fra det øjeblik transplantationen er på plads. “Du kan ikke få noget til at pumpe kun 1 eller 2 eller 5% af udkastningsfraktionen af det normale hjerte og forvente at gøre en forskel,” siger han og henviser til et fælles mål for pumpeeffektivitet. Der er lidt plads til fejl. “Vi tager bare baby skridt,” siger Panoskaltsis-Mortari. “Vi er, hvor folk var med hjertetransplantation for årtier siden.”

decellulariseringsprocessen, der dyrkes af Ott og andre, informerer allerede udviklingen af forbedrede vævsbaserede ventiler og andre dele af hjertet og andre organer. En bioengineeret ventil kan for eksempel vare længere end mekaniske eller døde vævs ventiler, fordi de har potentialet til at vokse med en patient og reparere sig selv. Og andre organer behøver muligvis ikke udskiftes helt. “Jeg ville blive overrasket, hvis du inden for de næste 5-7 år ikke ser patienten implanteret med mindst en del af en arterie, lober af en lunge, lober af en lever,” siger Badylak.

Taylor har mistanke om, at delvise tilgange kan hjælpe patienter med alvorlige hjertefejl såsom hypoplastisk venstre hjertesyndrom, hvor halvdelen af hjertet er alvorligt underudviklet. Gendannelse af den anden halvdel, “tvinger dig i det væsentlige til at bygge størstedelen af de ting, du har brug for”, hun siger.

og disse bestræbelser kunne holde lektioner til udvikling af celleterapier leveret til hjertet. Forskere lærer for eksempel, hvordan hjerteceller udvikler sig og fungerer i tre dimensioner. I fremtiden kunne delvise stilladser, enten syntetiske eller fra kadavere, give nye celler mulighed for at befolke beskadigede områder af hjerter og reparere dem som pletter.

krukkerne med spøgelsesagtige flydende organer kan virke som et grusomt ekko af Frankenstein-historien, men Taylor siger, at hendes arbejde er et kærlighedsarbejde. “Der er nogle dage, hvor jeg går ,” Åh min Gud, hvad har jeg fået ind?’På den anden side er alt, hvad der kræves, et barn, der ringer til dig og siger ‘kan du hjælpe min mor? og det gør det hele umagen værd.”