Tissue engineering: Hogyan építsünk egy szív

Doris Taylor nem veszi sértésnek, ha Dr. Frankensteinnek hívják. “Valójában ez volt az egyik nagyobb bók, amit kaptam” — mondja-megerősítés, hogy kutatása a lehetséges határokat feszegeti. Tekintettel a houstoni Texas Heart Institute Regeneratív Orvostudományi kutatásának igazgatójaként végzett munkájának jellegére, Taylornak el kell ismernie, hogy az összehasonlítás megfelelő. Rendszeresen gyűjt szerveket, például szíveket és tüdőket az újonnan halottakból, újratervezi őket a sejtekből kiindulva, és megpróbálja visszahozni őket az életbe abban a reményben, hogy újra üthetnek vagy lélegezhetnek az élőkben.

Taylor a kutatók élvonalában van, akik teljes új szerveket terveznek, hogy lehetővé tegyék a transzplantációkat anélkül, hogy a recipiens immunrendszere kilökődne. A stratégia elvileg elég egyszerű. Először távolítsa el az összes sejtet egy elhalt szervből — még csak nem is kell, hogy emberből származzon—, majd vegye ki a hátrahagyott fehérjeállványt, és újratelepítse azt olyan őssejtekkel, amelyek immunológiailag megfelelnek a rászoruló betegnek. Voil! A transzplantálható szervek bénító hiánya világszerte megoldódott.

a gyakorlatban azonban a folyamat óriási kihívásokkal küzd. A kutatók némi sikert arattak az üreges, viszonylag egyszerű szervek, például a légcső és a hólyag növekedésével és átültetésével (lásd go.nature.com/zvuxed). de a szilárd szervek, például a vesék vagy a tüdő növekedése azt jelenti, hogy több tucat sejttípust pontosan a megfelelő pozícióba kell helyezni, és egyidejűleg teljes véredények hálózatát kell növelni, hogy életben maradjanak. Az új szerveknek sterilnek kell lenniük, képesek növekedni, ha a beteg fiatal, és legalább névlegesen képesek megjavítani magukat. A legfontosabb, hogy dolgozniuk kell-ideális esetben egy életen át. A szív a harmadik legszükségesebb szerv a vese és a máj után, csak az Egyesült Államokban mintegy 3500 várólistával, de további kihívásokat jelent a transzplantáció és a biomérnöki munka számára. A szívnek folyamatosan kell dobognia, hogy napi 7000 liter vért pumpáljon tartalék nélkül. Kamrák és szelepek vannak kialakítva, amelyek különböző típusú speciális izomsejtekből, úgynevezett cardiomyocytákból állnak. A donor szívek pedig ritkák, mert gyakran károsítják őket a betegségek vagy az újraélesztési erőfeszítések, ezért üdvözlendő lenne a biomérnöki szervek folyamatos ellátása.

Taylor, aki az első sikeres kísérleteket vezette patkány szívek építéséhez1, optimista a szövetmérnöki végső kihívással kapcsolatban. “Azt hiszem, ez kiemelkedően kivitelezhető” – mondja, gyorsan hozzátéve: “Nem hiszem, hogy ez egyszerű.”Néhány kolléga kevésbé optimista. Paolo Macchiarini, a Stockholmi Karolinska Intézet mellkasi sebésze és tudósa, aki több betegbe átültetett biotechnológiai légcsövet, azt mondja, hogy bár a szövettechnika rutinszerűvé válhat a csőszerkezetek, például a szélcsövek, az artériák és a nyelőcső helyettesítésére, “nem biztos abban, hogy ez bonyolultabb szervekkel fog megtörténni”.

mégis érdemes lehet az erőfeszítés, még akkor is, ha kudarcot vall, mondja Alejandro Soto-Guti Apprrez, a Pennsylvaniai Pittsburghi Egyetem kutatója és sebésze. “A szervátültetésre szánt szervek készítésének álma mellett sok mindent tanulhatunk ezekből a rendszerekből” — mondja-beleértve a szív sejtszerveződésének jobb alapismeretét és új ötleteket arról, hogyan lehet megjavítani.

NIK SPENCER / természet

az állvány

több mint egy évtizede a biológusok képesek voltak az embrionális őssejteket szívizomsejtekké alakítani egy edényben. Egy kis elektromos pacemaking kívülről, ezek a mesterséges szívsejtek még esik lépést, és fenntartsák szinkron dobogó órákig.

de a Petri-csészében lévő rángatózó foltoktól a működő szívig tartó állványra van szükség a sejtek három dimenzióba rendezéséhez. A kutatók végül képesek lehetnek ilyen struktúrák létrehozására háromdimenziós nyomtatással-amint azt az év elején egy mesterséges trachea2 (lásd a természet http://doi.org/m2q; 2013). A belátható jövőben azonban az emberi szív összetett szerkezete még a legkifinomultabb gépek számára is elérhető. Ez különösen igaz a kapillárisok bonyolult hálózataira, amelyeknek oxigénnel és tápanyagokkal kell ellátniuk a szívet, és eltávolítaniuk a salakanyagokat a szövetek mélyéből. “Az érrendszer a legnagyobb kihívás” -mondja Anthony Atala, a Wake Forest Egyetem urológusa Winston-Salemben, Észak-Karolinában, aki biotechnológiás hólyagokat ültetett be a betegekbe3, és a vesék építésén dolgozik (lásd Nature http://doi.org/dw856h; 2006).

a leendő szívépítők vezető technikái általában magukban foglalják a biológia által már létrehozott újrafelhasználást. Egy jó hely, hogy hogyan történik ez a Massachusetts General Hospital Bostonban, ahol Harald Ott, a sebész és a regeneratív orvoslás kutatója bemutatja a módszert, amelyet Taylor alatt a 2000-es évek közepén fejlesztett ki.

műanyag csövekkel felfüggesztve egy üveg és műanyag dob alakú kamrában egy friss emberi szív. A közelben van egy szivattyú, amely csendesen tolja a mosószert a szív aortájába futó csövön keresztül. Az áramlás kényszeríti az aortabillentyűt, és elküldi a mosószert az izomot tápláló erek hálózatán keresztül, amíg a tulajdonos néhány nappal korábban meghalt. Körülbelül egy hét alatt, magyarázza Ott, ez a mosószer-áramlás eltávolítja a lipideket, a DNS-t, az oldható fehérjéket, a cukrokat és szinte az összes többi sejtanyagot a szívből, így csak a kollagén, a lamininok és más szerkezeti fehérjék halvány hálója marad: az ‘extracelluláris mátrix’, amely egykor a szervet összetartotta.

az állvány szívének nem kell embernek lennie. Ígéretesek a disznók: az extracelluláris mátrix összes kulcsfontosságú összetevőjét viselik, de valószínűleg nem hordoznak emberi betegségeket. Szívüket ritkán gyengítik a betegségek vagy az újraélesztési erőfeszítések. “A sertésszövetek sokkal biztonságosabbak, mint az emberek, és korlátlan mennyiségű kínálat van”-mondja Stephen Badylak, a Pittsburgh-i Egyetem Regeneratív Orvostudományi kutatója.

ott szerint a trükkös rész annak biztosítása, hogy a mosószer csak a megfelelő mennyiségű anyagot oldja fel. Ha túl keveset távolít el, a mátrix megtarthatja a sejtfelszíni molekulák egy részét, amelyek a recipiens immunrendszerének kilökődéséhez vezethetnek. Ha túl sokat távolít el, elveszítheti a létfontosságú fehérjéket és növekedési faktorokat, amelyek megmondják az újonnan bevezetett sejteknek, hogy hol tapadjanak és hogyan viselkedjenek. “Ha enyhébb anyagot és rövidebb időkeretet használhat, akkor több átalakulási választ kap”-mondja Thomas Gilbert, aki a decellularizációt tanulmányozza az Acellnél, a Marylandi Columbia-ban, amely extracelluláris mátrix termékeket állít elő a regeneratív orvoslás számára.

kísérletekkel és hibákkal, a mosószerek koncentrációjának, időzítésének és nyomásának növelésével a kutatók több száz szív és más szerv dekellularizációs folyamatát finomították. Valószínűleg ez a szervtermelő vállalkozás legjobban fejlett szakasza, de ez csak az első lépés. Ezután az állványt emberi sejtekkel kell újratelepíteni.

a sejtek

a’Recellularization’ újabb kihívást jelent, mondja Jason Wertheim, a Northwestern Egyetem Feinberg Orvostudományi Iskolájának sebésze Chicagóban, Illinoisban. “Egy, Milyen sejteket használunk? Kettő, hány cellát használunk? És három: érett sejtek, embrionális őssejtek, iPS sejtek? Mi az optimális sejtforrás?”

az érett sejtek használata enyhén szólva trükkös, mondja Taylor. “Nem lehet felnőtt szívsejteket proliferálni” – mondja. “Ha lehetne, egyáltalán nem folytatnánk ezt a beszélgetést” — mert a sérült szívek helyre tudnák állítani magukat, és nem lenne szükség transzplantációra.

a legtöbb kutató a területen két vagy több sejttípus keverékét használja, mint például az endothel prekurzor sejtek az erek és az izom progenitorok sorakoztatására a kamrák falainak vetésére. Az ott ezeket az iPS-sejtekből származik — felnőtt sejtek, amelyeket embrionális őssejt-szerű állapotba programoztak növekedési faktorok felhasználásával -, mert ezeket egy rászoruló betegtől lehet venni, és immunológiailag illesztett szövetek előállítására használják.

elvileg az iPS-sejtes megközelítés biztosíthatja az új szív számára a sejttípusok teljes körét, beleértve az érrendszeri sejteket és a szívizomsejtek számos változatát. De a gyakorlatban a saját problémáiba kerül. Az egyik az emberi szív puszta mérete. A számokat komolyan alulértékelik, – mondja Ott. “Egy dolog egymillió sejtet létrehozni; egy másik 100 millió vagy 50 milliárd sejt létrehozása.”És a kutatók nem tudják, hogy a megfelelő sejttípusok növekedni fognak-e, ha az iPS-sejteket az embrionális fejlődés összefoglalására használják egy felnőtt szívállványban.

ott LAB/MASSACHUSETTS GENERAL HOSPITAL

egy dekellularizált emberi szív várja az újjáépítést prekurzor sejtek injekciójával.

ahogy kolonizálják az állványt, néhány éretlen sejt gyökeret ereszt és növekedni kezd. De sürgetve őket, hogy működőképessé váljanak, a szívizomsejtek verése többet igényel, mint az oxigénnel kezelt média és a növekedési faktorok. “A sejtek érzékelik a környezetüket” -mondja Angela Panoskaltsis-Mortari, aki a minneapolisi Minnesotai Egyetemen próbál tüdőt építeni transzplantációra. “Nem csak a tényezőket érzékelik. Érzékelik a merevséget és a mechanikai igénybevételt, ” ami viszont lenyomja a sejteket a megfelelő fejlődési útjukon.

tehát a kutatóknak a szívet egy bioreaktorba kell helyezniük, amely utánozza a verés érzését. Az Ott bioreaktorai elektromos jelek kombinációját használják-hasonlóan a pacemakerhez -, hogy segítsenek szinkronizálni az állványra beültetett szívizomsejteket, kombinálva a szivattyú által kiváltott fizikai dobogó mozgásokkal (lásd ‘testreszabott szervek’). A kutatók azonban állandó küzdelemmel néznek szembe az emberi testben jelen lévő állapotok, például a pulzusszám és a vérnyomás változása vagy a gyógyszerek jelenléte miatt. “A test olyan gyorsan reagál a dolgokra és megváltoztatja a körülményeket, hogy valószínűleg lehetetlen utánozni ezt egy bioreaktorban” – mondja Badylak.

amikor Taylor és Ott először fejlesztették ki a bioreaktorokat, a decellullarizált és újratelepített patkányszívek számára, meg kellett tanulniuk, ahogy haladtak. “Sok ragasztószalag volt a laboratóriumban” – mondja Ott. De végül a szívek képesek voltak önállóan verni a bioreaktorban töltött nyolc-tíz nap után, ami egy normál felnőtt patkány szívének körülbelül 2% – át termelte1. Taylor azt mondja, hogy azóta patkányoktól és nagyobb emlősöktől kapott szíveket, hogy a normál kapacitás 25% – át pumpálja, bár még nem tette közzé az adatokat. Ő és Ott biztosak abban, hogy jó úton járnak.

a beat

a végső kihívás az egyik legnehezebb: egy újonnan termesztett, megtervezett szívet egy élő állatba helyezni, és hosszú ideig tartani.

az érrendszer integritása az első akadály. Bármely meztelen mátrixdarab táptalajként szolgál a vérrögök számára, amelyek végzetesek lehetnek a szerv vagy az állat számára. “Szükséged lesz egy elég ép endotheliumra, amely minden edényt bélel, vagy véralvadást vagy szivárgást okoz” – mondja Gilbert.

az Ott bebizonyította, hogy a mesterséges szervek egy ideig életben maradhatnak. Csoportja egyetlen biomérnök tüdőt ültetett át egy patkányba, megmutatva, hogy ez támogathatja az állat gázcseréjét, de a légtér meglehetősen gyorsan megtelt folyadékokkal4. És egy megtervezett patkány-vese transzplantáció, amelyről az Ott csoportja az év elején számolt be, alvadás nélkül maradt fenn, de csak minimális képessége volt a vizelet szűrésére, valószínűleg azért, mert a folyamat nem termelt elegendő sejttípust a vese5 számára (lásd Nature http://doi.org/m2r; 2013). Ott csapata és mások rekonstruált szíveket ültettek be patkányokba, általában a nyakba, a hasba vagy az állat saját szíve mellé. Bár a kutatók vérrel tudják táplálni a szerveket, és egy ideig verni tudják őket, egyik szív sem volt képes támogatni a vér pumpáló funkcióját. A kutatóknak meg kell mutatniuk, hogy a szív sokkal nagyobb működési képességgel rendelkezik, mielőtt átültethetik egy patkánynál nagyobb állatba.

a szívvel, mondja Badylak, “el kell kezdeni valamit, ami elég jól működhet” attól a pillanattól kezdve, hogy a transzplantáció a helyén van. “Nem lehet valami szivattyúzás csak 1 vagy 2 vagy 5% – a ejekciós frakció a normális szív és elvárják, hogy a különbség,” mondja, utalva a közös intézkedés a szivattyúzás hatékonyságát. Kevés hely van a hibára. “Csak baba lépéseket teszünk” -mondja Panoskaltsis-Mortari. “Ott vagyunk, ahol az emberek évtizedekkel ezelőtt szívátültetéssel rendelkeztek.”

az ott és mások által kifejlesztett decellularizációs folyamat már tájékoztatja a jobb szövetalapú szelepek és a szív és más szervek más részeinek fejlődését. A biomérnöki szelep például hosszabb ideig tarthat, mint a mechanikus vagy halott szöveti szelepek, mert képesek növekedni a beteggel és megjavítani magukat. Előfordulhat, hogy más szerveket nem kell teljesen kicserélni. “Meglepődnék, ha a következő 5-7 évben nem látja, hogy a beteget legalább egy artéria egy részével, a tüdő lebenyével, a máj lebenyével beültetik” – mondja Badylak.

Taylor azt gyanítja, hogy a részleges megközelítések segíthetik a súlyos szívelégtelenségben szenvedő betegeket, mint például a hypoplastic bal szív szindróma, amelyben a szív fele súlyosan fejletlen. A másik fele helyreállítása, “lényegében arra kényszerít, hogy felépítse a szükséges dolgok többségét”, ő mondja.

és ezek az erőfeszítések tanulságokat tarthatnak a szívbe juttatott sejtterápiák kifejlesztéséhez. A kutatók például azt tanulják meg, hogyan fejlődnek és működnek a szívsejtek három dimenzióban. A jövőben a részleges állványok, akár szintetikus, akár tetemekből, lehetővé tehetik az új sejtek számára, hogy feltöltsék a szív sérült területeit, és javítsák őket, mint a tapaszokat.

a kísérteties lebegő orgonák üvegei a Frankenstein-történet hátborzongató visszhangjának tűnhetnek, de Taylor szerint munkája a szeretet munkája. Vannak napok, amikor azt mondom: “Istenem, mibe keveredtem? Másrészt, csak annyit kell tennie, hogy egy gyerek felhívja magát, és azt mondja, tudna segíteni az anyámnak? és mindez megéri.”