Tissue engineering: How to build a heart

Doris Taylor ei ota loukkauksena sitä, että häntä kutsutaan tohtori Frankensteiniksi. ”Se oli itse asiassa yksi isommista kehuista, joita olen saanut”, hän sanoo — vakuutuksen siitä, että hänen tutkimuksensa koettelee mahdollisen rajoja. Ottaen huomioon työnsä luonteen regeneratiivisen lääketieteen tutkimuksen johtajana Texas Heart Institutessa Houstonissa, Taylorin on myönnettävä, että vertailu on osuva. Hän korjaa säännöllisesti juuri kuolleilta elimiä, kuten sydämen ja keuhkot, rakentaa ne uudelleen soluista alkaen ja yrittää herättää ne eloon siinä toivossa, että ne voisivat lyödä tai hengittää jälleen elävissä.

Taylor on niiden tutkijoiden etujoukoissa, jotka haluavat suunnitella kokonaisia uusia elimiä, jotta elinsiirrot olisivat mahdollisia ilman vastaanottajan immuunijärjestelmän hylkimisreaktion vaaraa. Strategia on periaatteessa riittävän yksinkertainen. Poista ensin kaikki solut kuolleesta elimestä — sen ei edes tarvitse olla ihmisestä-ja ota sitten jäljelle jäänyt proteiiniteline ja kansoita se uudelleen kantasoluilla, jotka ovat immunologisesti yhteensopivia sitä tarvitsevan potilaan kanssa. Voilà! Lamauttava Pula siirrettävistä elimistä ympäri maailmaa on ratkaistu.

käytännössä prosessissa on kuitenkin valtavia haasteita. Tutkijat ovat jonkin verran onnistuneet kasvattamaan ja siirtämään ontot, suhteellisen yksinkertaiset elimet, kuten henkitorvet ja rakot (KS. go.nature.com/zvuxed). mutta kasvava kiinteitä elimiä, kuten munuaisia tai keuhkoja, tarkoittaa saada kymmeniä solutyyppejä täsmälleen oikeisiin asentoihin, ja samanaikaisesti kasvaa kokonaisia verisuonia pitämään ne elossa. Uusien elinten on oltava steriilejä, kasvukykyisiä, jos potilas on nuori, ja ainakin nimellisesti korjauskykyisiä. Tärkeintä on, että heidän on työskenneltävä — ihanteellisesti, koko elämänsä ajan. Sydän on kolmanneksi eniten tarpeellinen elin munuaisten ja maksan jälkeen, ja pelkästään Yhdysvalloissa sen jonotuslista on noin 3500, mutta se aiheuttaa lisähaasteita elinsiirroille ja biotekniikalle. Sydämen täytyy lyödä jatkuvasti pumpatakseen noin 7 000 litraa verta päivässä ilman taustatukea. Siinä on kammioita ja venttiilejä, jotka on rakennettu useista erilaisista erikoistuneista lihassoluista, joita kutsutaan kardiomyosyyteiksi. Ja luovuttajien sydämet ovat harvinaisia, koska ne ovat usein vahingoittuneet sairauksien tai elvytysponnistelujen vuoksi, joten biologisten elinten jatkuva tarjonta olisi tervetullutta.

Taylor, joka johti joitakin ensimmäisistä onnistuneista kokeista rottien sydämien rakentamiseksi1, suhtautuu optimistisesti tähän kudostekniikan äärimmäiseen haasteeseen. ”Mielestäni se on erittäin mahdollista”, hän sanoo ja lisää nopeasti, ” en usko, että se on yksinkertaista.”Jotkut kollegat eivät ole yhtä optimistisia. Tukholman Karoliinisessa instituutissa työskentelevä rintaelinkirurgi ja tiedemies Paolo Macchiarini, joka on siirtänyt bioengineerattuja henkitorvia useille potilaille, sanoo, että vaikka kudostekniikasta voisi tulla rutiinia putkimaisten rakenteiden, kuten henkitorvien, valtimoiden ja ruokatorven, korvaamiseksi, hän ”ei ole varma siitä, että tämä tapahtuu monimutkaisemmissa elimissä”.

silti ponnistelu voi olla kannattavaa, vaikka se epäonnistuisikin, sanoo tutkija ja kirurgi Alejandro Soto-Gutiérrez Pittsburghin yliopistosta Pennsylvaniasta. ”Sen lisäksi, että haaveilemme elinten valmistamisesta elinsiirtoa varten, voimme oppia näistä järjestelmistä paljon”, hän sanoo — muun muassa paremman perusymmärryksen sydämen solujen järjestymisestä ja uusia ideoita siitä, miten ne voidaan korjata.

NIK SPENCER / NATURE

teline

biologit ovat yli vuosikymmenen ajan kyenneet muuttamaan alkion kantasoluja sykkiviksi sydänlihassoluiksi lautasella. Pienellä sähköisellä tahdistuksella ulkopuolelta nämä muokatut sydänsolut jopa astuvat askeleeseen ja ylläpitävät synkronista sykettä tuntikausia.

mutta petrimaljassa olevista nykivistä möykyistä toimivaksi sydämeksi pääseminen vaatii tukirangan, joka järjestää solut kolmiulotteisiksi. Tutkijat saattavat lopulta pystyä luomaan tällaisia rakenteita kolmiulotteisella tulostuksella — kuten aiemmin tänä vuonna osoitettiin keinotekoisella trakea2: lla (KS.Nature http://doi.org/m2q; 2013). Ihmissydämen monimutkainen rakenne on kuitenkin lähitulevaisuudessa kaikkein kehittyneimpienkin koneiden ulottumattomissa. Tämä pitää erityisesti paikkansa hiussuonien monimutkaisista verkostoista, joiden täytyy antaa sydämelle happea ja ravinteita ja poistaa kuona-aineita syvältä kudoksistaan. ”Verisuonitus on suurin haaste”, sanoo Anthony Atala, urologi Wake Forestin yliopistosta Winston-Salemista Pohjois-Carolinasta, joka on istuttanut potilaisiin bioteknisiä rakkoja3 ja rakentaa munuaisia (Katso Nature http://doi.org/dw856h; 2006).

sydämen rakentajien johtaviin tekniikoihin kuuluu yleensä sen hyödyntäminen, minkä biologia on jo luonut. Yksi hyvä paikka nähdä, miten tämä tehdään on Massachusetts General Hospital Bostonissa, jossa Harald Ott, kirurgi ja regeneratiivis-lääketieteen tutkija, esittelee menetelmää, jonka hän kehitti kouluttaessaan Tayloria 2000-luvun puolivälissä.

muoviputkien avulla lasista ja muovista valmistettuun rumpukammioon ripustettu on tuore ihmissydän. Lähellä on pumppu, joka työntää kaikessa hiljaisuudessa pesuainetta sydämen aorttaan valuvan putken läpi. Virtaus Pakottaa aorttaläpän sulkeutumaan ja lähettää pesuaineen verisuoniverkoston läpi, joka ruokki lihasta, kunnes sen omistaja kuoli muutamaa päivää aiemmin. Ott selittää, että noin viikon aikana tämä pesuainevirtaus poistaa sydämestä lipidit, DNA: n, liukoiset proteiinit, sokerit ja lähes kaiken muun solumateriaalin, jolloin jäljelle jää vain vaalea kollageeni, laminiinit ja muut rakenneproteiinit: solunulkoinen matriisi, joka kerran piti elimen koossa.

telinesydämen ei tarvitse olla ihminen. Possut ovat lupaavia: ne kantavat kaikkia solunulkoisen matriisin keskeisiä osia, mutta eivät todennäköisesti kanna ihmisten sairauksia. Sairaus tai elvytysyritykset heikentävät harvoin heidän sydäntään. ”Sian kudokset ovat paljon turvallisempia kuin ihmiset, ja niitä on rajattomasti”, sanoo Pittsburghin yliopiston regeneratiivisen lääketieteen tutkija Stephen Badylak.

hankala osuus on Ottin mukaan varmistaa, että pesuaineesta liukenee juuri oikea määrä materiaalia. Jos ainetta poistetaan liian vähän, matriisiin saattaa jäädä solupintaisia molekyylejä, jotka voivat johtaa vastaanottajan immuunijärjestelmän hylkimisreaktioon. Jos se riisuu liikaa, se voi menettää tärkeitä proteiineja ja kasvutekijöitä, jotka kertovat vasta markkinoille tulleille soluille, missä niiden on pysyttävä ja miten niiden on käyttäydyttävä. ”Jos voit käyttää lievempää ainetta ja lyhyempää aikaväliä, saat enemmän remodelling vastaus”, sanoo Thomas Gilbert, joka tutkii decellularization Acell, yritys Columbia, Maryland, joka tuottaa solunulkoisia matriisi tuotteita regeneratiivisen lääketieteen.

yrityksen ja erehdyksen kautta, lisäämällä pesuaineiden pitoisuutta, ajoitusta ja painetta, tutkijat ovat tarkentaneet satojen sydänten ja muiden elinten deellularisaatioprosessia. Se on luultavasti urkuja tuottavan yrityksen parhaiten kehittynyt vaihe, mutta se on vasta ensimmäinen vaihe. Seuraavaksi tukiranka pitää asuttaa uudelleen ihmissoluilla.

solut

”Uudelleensellularisaatio” tuo mukanaan uuden liudan haasteita, sanoo Jason Wertheim, kirurgi Northwestern-yliopiston Feinberg School of Medicinessä Chicagossa, Illinoisissa. ”Ensinnäkin, mitä soluja käytämme? Kaksi, montako solua käytämme? Ja kolme: pitäisikö niiden olla kypsiä soluja, alkion kantasoluja, iPS-soluja? Mikä on optimaalinen solulähde?”

kypsien solujen käyttäminen on vähintäänkin hankalaa, Taylor sanoo. ”Aikuisten kardiosyyttejä ei voi saada lisääntymään”, hän sanoo. ”Jos voisitte, emme kävisi tätä keskustelua lainkaan” — koska vaurioituneet sydämet voisivat korjata itsensä eikä siirtoja tarvittaisi.

useimmat alan tutkijat käyttävät kahden tai useamman solutyypin seosta, kuten endoteelisolujen esiasteita verisuonten linjoihin ja lihasten esiasteita kammioiden seinämiin. Ott on saanut näitä iPS-soluista-aikuisista soluista, jotka on ohjelmoitu alkionkantasolun kaltaiseen tilaan kasvutekijöiden avulla-koska niitä voidaan ottaa apua tarvitsevalta potilaalta ja käyttää immunologisesti yhteensopivien kudosten valmistamiseen.

periaatteessa iPS-solun lähestymistapa voisi tarjota uuden sydämen koko solutyyppisarjan, johon kuuluvat verisuonisolut ja useat sydänlihassolulajikkeet. Käytännössä se kuitenkin törmää omiin ongelmiinsa. Yksi on ihmissydämen koko. Luvut ovat pahasti alimitoitettuja, Ott sanoo. ”On eri asia tehdä miljoona solua kuin tehdä 100 miljoonaa tai 50 miljardia solua.”Eivätkä tutkijat tiedä, kasvavatko oikeat solutyypit, kun iPS-soluja käytetään alkionkehityksen kertaamiseen aikuisen sydämen telineessä.

OTT LAB / MASSACHUSETTS GENERAL HOSPITAL

deellularisoitunut ihmissydän odottaa uudelleenrakentamista prekursorisolujen injektiolla.

kun ne asuttavat tukirankaa, jotkin kypsymättömistä soluista juurtuvat ja alkavat kasvaa. Mutta niiden kannustaminen toimintakykyisiksi, niiden hakkaaminen vaatii muutakin kuin happipitoisia väliaineita ja kasvutekijöitä. ”Solut aistivat ympäristönsä”, sanoo Angela Panoskaltsis-Mortari, joka on yrittänyt rakentaa keuhkoja elinsiirtoa varten Minnesotan yliopistossa Minneapolisissa. ”He eivät vain aisti tekijöitä. Ne aistivat jäykkyyden ja mekaanisen rasituksen,” mikä vuorostaan työntää solut oikealle kehityspolulleen.

joten tutkijoiden on laitettava sydän bioreaktoriin, joka jäljittelee sykkeen tuntemusta. Ott: n bioreaktorit käyttävät sähköisiä signaaleja, jotka muistuttavat sydämentahdistinta, auttaakseen tahdistamaan telineeseen kylvetyt sykkivät kardiomyosyytit, yhdistettynä pumpun aiheuttamiin fyysisiin sykkimisliikkeisiin (KS. ”Räätälöidyt elimet”). Mutta tutkijat kohtaavat jatkuvaa taistelua yrittäessään apinoida ihmisruumiin olosuhteita, kuten sykkeen ja verenpaineen muutoksia tai lääkkeiden läsnäoloa. ”Keho reagoi asioihin ja muuttaa olosuhteita niin nopeasti, että bioreaktorissa sitä on luultavasti mahdotonta jäljitellä”, Badylak sanoo.

kun Taylor ja Ott kehittivät ensimmäisen kerran bioreaktoreita, dekellullisoituneille ja uudelleen kansoitetuille rotansydämille, heidän täytyi oppia matkan varrella. ”Laboratoriossa oli paljon ilmastointiteippiä”, Ott kertoo. Mutta lopulta sydämet pystyivät lyömään omasta jälkeen kahdeksan-kymmenen päivää bioreaktorissa, tuottaen noin 2% pumppauskapasiteetista normaalin aikuisen rotan sydän1. Taylor kertoo saaneensa sittemmin rottien ja suurempien nisäkkäiden sydämiä pumpattavaksi jopa 25 prosentin normaalikapasiteetilla, vaikka hän ei ole vielä julkistanut tietoja. Hän ja Ott ovat varmoja, että he ovat oikealla tiellä.

the beat

the final challenge on yksi vaikeimmista: vasta kasvatetun, muokatun sydämen saattaminen eläväksi eläimeksi ja sen pitäminen sykkivänä pitkään.

verisuoniston eheys on ensimmäinen este. Mikä tahansa paljas matriisi toimii kasvualustana hyytymille, jotka voivat olla kohtalokkaita elimelle tai eläimelle. ”Jokaiseen verisuoneen tarvitaan melko ehjä endoteelivuori tai sitten tulee hyytymiä tai vuotoja”, Gilbert sanoo.

Ott on osoittanut, että muokatut elimet voivat säilyä jonkin aikaa. Hänen ryhmänsä on siirtänyt rotalle yhden biosineeratun keuhkon, mikä osoittaa, että se voisi tukea kaasun vaihtoa eläimeen, mutta ilmatila täyttyi melko nopeasti fluids4: llä. Ja suunniteltu rotta-munuaisensiirto, jonka Ottin ryhmä raportoi alkuvuodesta, selvisi ilman hyytymistä, mutta sillä oli vain vähäinen kyky suodattaa virtsaa, luultavasti siksi, että prosessi ei ollut tuottanut tarpeeksi kidney5: n tarvitsemia solutyyppejä (KS.Nature http://doi.org/m2r; 2013). Ottin ryhmä ja muut ovat istuttaneet rekonstruoituja sydämiä rottiin, yleensä kaulaan, vatsaan tai eläimen oman sydämen viereen. Mutta vaikka tutkijat voivat ruokkia elimiä verellä ja saada ne lyömään jonkin aikaa, mikään sydämistä ei ole pystynyt tukemaan veren pumppaustoimintoa. Tutkijoiden on osoitettava, että sydämellä on paljon korkeampi toimintakyky, ennen kuin he voivat siirtää sen rotan kokoiseen eläimeen.

sydämellä on Badylakin mukaan ”aloitettava jostakin, joka voi toimia melko hyvin” heti, kun siirrännäinen on paikallaan. ”Et voi antaa jonkin pumpata vain 1 tai 2 tai 5% normaalin sydämen ejektiofraktiosta ja odottaa, että sillä on merkitystä”, hän sanoo viitaten pumppaustehokkuuden yleiseen mittariin. Virheisiin ei juuri ole varaa. ”Otamme vain pieniä askeleita”, Panoskaltsis-Mortari sanoo. ”Olemme siellä, missä ihmiset saivat sydämensiirron vuosikymmeniä sitten.”

Ottin ja muiden viljelemä deellularisaatioprosessi kertoo jo parempien kudospohjaisten venttiilien ja muiden sydämen ja muiden elinten osien kehittymisestä. Esimerkiksi biotekninen venttiili voi kestää kauemmin kuin mekaaniset tai kuollutta kudosta olevat venttiilit, koska niillä on mahdollisuus kasvaa potilaan mukana ja korjata itsensä. Eikä muita elimiä välttämättä tarvitse kokonaan vaihtaa. ”Olisin yllättynyt, jos seuraavan 5-7 vuoden aikana potilaalle ei istuteta edes osaa valtimosta, keuhkolohkoa, maksalohkoa”, Badylak sanoo.

Taylor epäilee, että osittainen lähestymistapa voisi auttaa potilaita, joilla on vaikea sydänvika, kuten hypoplastinen vasemman sydämen oireyhtymä, jossa puolet sydämestä on vakavasti alikehittynyt. Toisen puolen palauttaminen ”käytännössä pakottaa rakentamaan suurimman osan tarvitsemistaan asioista”, hän sanoo.

ja nämä ponnistelut voisivat pitää oppitunteja sydämeen toimitettavien soluhoitojen kehittämiseksi. Tutkijat selvittävät esimerkiksi sitä, miten sydänsolut kehittyvät ja toimivat kolmiulotteisesti. Tulevaisuudessa osittaiset rakennustelineet, joko synteettiset tai ruumiista tehdyt, voisivat mahdollistaa sen, että uudet solut kansoittavat vaurioituneita sydänalueita ja korjaavat niitä kuin laastareita.

aavemaisesti kelluvien elinten purkit saattavat tuntua karmealta kaikulta Frankensteinin tarinasta, mutta Taylorin mukaan hänen työnsä on rakkauden työtä. ”Joinakin päivinä mietin:’ Voi luoja, mihin olen joutunut? Toisaalta lapsi soittaa ja sanoo: ”voitko auttaa äitiäni?” se tekee kaikesta sen arvoista.”