Tissue engineering: Hvordan bygge et hjerte

Doris Taylor tar det ikke som en fornærmelse når folk kaller Henne Dr Frankenstein. «Det var faktisk en av de større komplimenter jeg har fått —» sier hun – en bekreftelse på at hennes forskning skyver grensene for det mulige. Gitt arten av hennes arbeid som direktør for regenerativ medisinforskning Ved Texas Heart Institute I Houston, Må Taylor innrømme at sammenligningen er egnet. Hun høster regelmessig organer som hjerter og lunger fra de nylig døde, re-ingeniører dem fra cellene og forsøker å bringe dem tilbake til livet i håp om at de kan slå eller puste igjen i de levende.

Taylor er i forkant av forskere som ønsker å konstruere hele nye organer, for å muliggjøre transplantasjoner uten risiko for avvisning av mottakerens immunsystem. Strategien er enkel nok i prinsippet. Fjern først alle cellene fra et dødt organ — det trenger ikke engang å være fra et menneske-så ta protein stillaset igjen og repopulere det med stamceller immunologisk tilpasset pasienten i nød. Voilà Den lammende mangelen på transplanterbare organer rundt om i verden er løst.

i praksis er prosessen imidlertid preget av enorme utfordringer. Forskere har hatt en viss suksess med å vokse og transplantere hule, relativt enkle organer som luftrør og blærer (se go.nature.com/zvuxed). men voksende faste organer som nyrer eller lunger betyr å få dusinvis av celletyper i akkurat de riktige posisjonene, og samtidig vokse komplette nettverk av blodkar for å holde dem i live. De nye organene må være sterile, kunne vokse hvis pasienten er ung, og i det minste nominelt i stand til å reparere seg selv. Viktigst, de må jobbe-ideelt sett for livet. Hjertet er det tredje mest nødvendige organet etter nyre og lever, med en venteliste på ca 3500 i Usa alene, men det gir ekstra utfordringer for transplantasjon og bioteknologi. Hjertet må slå hele tiden for å pumpe rundt 7000 liter blod per dag uten en back-up. Den har kamre og ventiler konstruert fra flere forskjellige typer spesialiserte muskelceller kalt kardiomyocytter. Og donorhjerter er sjeldne, fordi de ofte blir skadet av sykdom eller gjenoppliving, så en jevn tilførsel av bioengineerte organer ville være velkommen.

Taylor, som ledet noen av de første vellykkede forsøkene for å bygge rottehjerter1, er optimistisk om denne ultimate utfordringen i vevsteknikk. «Jeg tror det er svært gjennomførbart,» sier hun og legger raskt til, » jeg tror ikke det er enkelt .»Noen kolleger er mindre optimistiske . Paolo Macchiarini, en thorax kirurg og forsker Ved Karolinska Instituttet I Stockholm, som har transplantert bioengineerte luftrør til flere pasienter, sier at selv om vevsteknikk kan bli rutine for å erstatte rørformede strukturer som luftrør, arterier og øsofagi, er han «ikke sikker på at dette vil skje med mer komplekse organer».

likevel kan innsatsen være verdt selv om den mislykkes, sier alejandro Soto-Gutié, forsker og kirurg ved University Of Pittsburgh I Pennsylvania. «Foruten drømmen om å lage organer for transplantasjon, er det mange ting vi kan lære av disse systemene,» sier han — inkludert en bedre grunnleggende forståelse av celleorganisasjon i hjertet og nye ideer om hvordan man fikser en.

NIK SPENCER / NATUR

stillaset

i mer enn et tiår har biologer vært i stand til å slå embryonale stamceller til å slå hjerte-muskelceller i en tallerken. Med litt elektrisk pacemaking fra utsiden, faller disse konstruerte hjertecellene til og med i trinn og opprettholder synkron slag i flere timer.

men å komme seg fra rykninger i en Petriskål til et fungerende hjerte krever et stillas for å organisere cellene i tre dimensjoner. Forskere kan til slutt kunne lage slike strukturer med tredimensjonal utskrift – som ble demonstrert tidligere i år med en kunstig trakea2 (Se Nature http://doi.org/m2q; 2013). I overskuelig fremtid er imidlertid den komplekse strukturen i det menneskelige hjerte utenfor rekkevidden til selv de mest sofistikerte maskinene. Dette gjelder spesielt for de intrikate nettverkene av kapillærer som må forsyne hjertet med oksygen og næringsstoffer og fjerne avfallsprodukter fra dypt inne i vevet. «Vascularity er den store utfordringen,» sier Anthony Atala, en urolog Ved Wake Forest University I Winston-Salem, North Carolina, som har implantert bioengineered blærer til pasienter3 og jobber med å bygge nyrer(Se Nature http://doi.org/dw856h; 2006).

de ledende teknikkene for å være hjertebyggere innebærer generelt å gjenbruke hva biologi allerede har skapt. Et godt sted å se Hvordan Dette gjøres er Massachusetts General Hospital I Boston, hvor harald Ott, kirurg og regenerativ medisinforsker, demonstrerer en metode som han utviklet mens Han trente Under Taylor i midten av 2000-tallet.

Suspendert av plastrør i et trommelformet kammer laget av glass og plast er et friskt menneskelig hjerte. I nærheten er en pumpe som stille skyver vaskemiddel gjennom et rør som løper inn i hjertets aorta. Strømmen tvinger aortaklaffen lukket og sender vaskemiddelet gjennom nettverket av blodkar som matet muskelen til eieren døde noen dager før. I løpet av omtrent en uke, forklarer Ott, vil denne strømmen av vaskemiddel fjerne lipider, DNA, oppløselige proteiner, sukkerarter og nesten alt annet cellulært materiale fra hjertet, slik at bare et svakt nett av kollagen, lamininer og andre strukturelle proteiner: den ekstracellulære matrisen som en gang holdt organet sammen.

stillashjertet trenger ikke å være menneske. Grisene lover: de bærer alle de avgjørende komponentene i den ekstracellulære matrisen, men er usannsynlig å bære menneskelige sykdommer. Og deres hjerter er sjelden svekket av sykdom eller gjenopplivningsarbeid. «Grisvev er mye tryggere enn mennesker, og det er ubegrenset forsyning,» sier Stephen Badylak, en regenerativ medisinforsker ved University Of Pittsburgh.

den vanskelige delen, Sier Ott, er å sørge for at vaskemiddelet løser opp akkurat riktig mengde materiale. Strip bort for lite, og matrisen kan beholde noen av celleoverflatemolekylene som kan føre til avvisning av mottakerens immunsystem. Strip bort for mye, og det kan miste viktige proteiner og vekstfaktorer som forteller nylig introduserte celler hvor de skal holde seg og hvordan de skal oppføre seg. «Hvis du kan bruke en mildere agent og en kortere tidsramme, får du mer av et remodelleringsrespons,» Sier Thomas Gilbert, som studerer decellularisering Ved ACell, et selskap I Columbia, Maryland, som produserer ekstracellulære matriksprodukter for regenerativ medisin.

gjennom prøving og feiling, oppskalering av konsentrasjonen, timing og trykk av vaskemidler, har forskere raffinert decellulariseringsprosessen på hundrevis av hjerter og andre organer. Det er trolig den best utviklede fasen av orgelgenererende virksomheten, men det er bare det første trinnet. Deretter må stillaset repopuleres med menneskelige celler.

cellene

‘Recellularization’ introduserer en annen rekke utfordringer, sier Jason Wertheim, kirurg Ved Northwestern University Feinberg School Of Medicine I Chicago, Illinois. «En, hvilke celler bruker vi? To, hvor mange celler bruker vi? Og tre, bør de være modne celler, embryonale stamceller, iPS-celler? Hva er den optimale cellekilden?»

Bruk av modne celler Er vanskelig å si mildt, sier Taylor. «Du kan ikke få voksne kardiocytter til å spre seg,» sier hun. «Hvis du kunne, ville vi ikke ha denne samtalen i det hele tatt — – fordi skadede hjerter kunne reparere seg selv og det ville ikke være behov for transplantasjoner.

de fleste forskere i feltet bruker en blanding av to eller flere celletyper, for eksempel endotel-forløperceller til linje blodkar og muskel progenitors å frø veggene i kamrene. Ott har avledet disse fra ips — celler-voksne celler omprogrammert til en embryonisk stamcellelignende tilstand ved hjelp av vekstfaktorer – fordi disse kan tas fra en pasient i nød og brukes til å lage immunologisk matchet vev.

i prinsippet kan iPS-celle-tilnærmingen gi det nye hjertet sin fulle pakke med celletyper, inkludert vaskulære celler og flere varianter av hjerte-muskelcelle. Men i praksis går det inn i sine egne problemer. Den ene er størrelsen på et menneskelig hjerte. Tallene er alvorlig undervurdert, sier Ott. «Det er en ting å lage en million celler; en annen for å lage 100 millioner eller 50 milliarder celler.»Og forskere vet ikke om de riktige celletypene vil vokse når iPS-celler brukes til å rekapitulere embryonisk utvikling i et voksent hjerte stillas.

OTT LAB / MASSACHUSETTS GENERAL HOSPITAL

et decellularisert menneskehjerte venter på gjenoppbygging med en injeksjon av forløperceller.

Når de koloniserer stillaset, vil noen av de umodne cellene slå rot og begynne å vokse. Men oppfordrer dem til å bli funksjonelle, slår kardiomyocytter krever mer enn bare oksygenerte medier og vekstfaktorer. «Celler fornemmer deres miljø,» sier Angela Panoskaltsis-Mortari, som har forsøkt å bygge lunger for transplantasjon ved University Of Minnesota I Minneapolis. «De føler ikke bare faktorene. De fornemmer stivheten og det mekaniske stresset, » som igjen skyver cellene ned i riktig utviklingsbane.

så forskere må sette hjertet inn i en bioreaktor som etterligner følelsen av å slå. Otts bioreaktorer bruker en kombinasjon av elektriske signaler-som en pacemaker – for å bidra til å synkronisere de slående kardiomyocyttene som er sådd på stillaset, kombinert med fysiske slagbevegelser indusert av en pumpe (se ‘Tilpassede organer’). Men forskere står overfor en konstant kamp i å prøve å ape forholdene som er tilstede i menneskekroppen, for eksempel endringer i hjertefrekvens og blodtrykk, eller tilstedeværelsen av narkotika. «Kroppen reagerer på ting og endrer forholdene så fort det er sannsynligvis umulig å etterligne det i en bioreaktor,» sier Badylak.

Da Taylor og Ott først utviklet bioreaktorer, for decellullarized og repopulated rat hearts, måtte de lære som de gikk sammen. «Det var mye duct tape i laboratoriet,» Sier Ott. Men til slutt klarte hjertene å slå seg selv etter åtte til ti dager i bioreaktoren, og produserte omtrent 2% av pumpekapasiteten til et normalt voksen rottehjerter1. Taylor sier at hun siden har fått hjerter fra rotter og større pattedyr til å pumpe med så mye som 25% av normal kapasitet, selv om hun ennå ikke har publisert dataene. Hun og Ott er sikre på at de er på rett vei.

the beat

den siste utfordringen er en av de vanskeligste: å plassere et nylig vokst, konstruert hjerte inn i et levende dyr, og holde det slått i lang tid.

vaskulaturens integritet er den første barrieren. Enhver naken bit av matrisen tjener som et avlsmiljø for blodpropper som kan være dødelig for organet eller dyret. «Du kommer til å trenge en ganske intakt endotelforing hvert fartøy, eller du kommer til å ha koagulering eller lekkasje,» sier Gilbert.

Ott har vist at konstruerte organer kan overleve i en tid. Hans gruppe har transplantert en enkelt bioengineered lunge inn i en rotte, som viser at den kunne støtte gassutveksling for dyret, men luftrommet ganske raskt fylt med væsker4. Og en konstruert rotte-nyretransplantasjon som Otts gruppe rapporterte tidlig i år overlevde uten koagulering, men hadde bare minimal evne til å filtrere urin, sannsynligvis fordi prosessen ikke hadde produsert nok av celletypene som trengs av kidney5(Se Nature http://doi.org/m2r; 2013). Otts team og andre har implantert rekonstruerte hjerter til rotter, vanligvis i nakken, i magen eller ved siden av dyrets eget hjerte. Men selv om forskerne kan mate organene med blod og få dem til å slå en stund, har ingen av hjerter vært i stand til å støtte blodpumpefunksjonen. Forskerne må vise at et hjerte har mye høyere evne til å fungere før de kan transplantere det til et dyr som er større enn en rotte.

Med hjertet, sier Badylak, «du må starte med noe som kan fungere ganske bra» fra det øyeblikket transplantasjonen er på plass. «Du kan ikke ha noe som pumper bare 1 eller 2 eller 5% av utkastningsfraksjonen av det normale hjertet og forventer å gjøre en forskjell,» sier han, med henvisning til et felles mål for pumpeeffektivitet. Det er lite rom for feil. «Vi tar bare baby skritt,» sier Panoskaltsis-Mortari. «Vi er der folk var med hjertetransplantasjon tiår siden.»

decellulariseringsprosessen som dyrkes Av Ott og andre, informerer allerede utviklingen av forbedrede vevbaserte ventiler og andre deler av hjertet og andre organer. En bioengineered ventil, for eksempel, kan vare lenger enn mekaniske eller døde vev ventiler fordi de har potensial til å vokse med en pasient og reparere seg selv. Og andre organer trenger kanskje ikke å bli erstattet helt. «Jeg vil bli overrasket om du i løpet av de neste 5-7 årene ikke ser pasienten implantert med minst en del av en arterie, lungelapper, leverlapper,» Sier Badylak.

Taylor mistenker at delvise tilnærminger kan hjelpe pasienter med alvorlige hjertefeil som hypoplastisk venstre hjerte syndrom, hvor halvparten av hjertet er alvorlig underutviklet. Gjenopprette den andre halvparten, «i hovedsak tvinger deg til å bygge de fleste av de tingene du trenger», sier hun.

og disse anstrengelsene kunne holde leksjoner for utvikling av celleterapier levert til hjertet. Forskere lærer for eksempel hvordan hjerteceller utvikler seg og fungerer i tre dimensjoner. I fremtiden kan delvise stillas, enten syntetiske eller fra kadavre, tillate nye celler å fylle skadede områder av hjerter og reparere dem som flekker.

krukkene med spøkelsesaktig flytende organer kan virke som et grusomt ekko Av Frankenstein-historien, Men Taylor sier at hennes arbeid er et arbeid av kjærlighet. «Det er noen dager jeg går,» herregud, hva har jeg kommet inn i? På den annen side, alt som trengs er et barn som ringer deg og sier ‘ Kan du hjelpe min mor? og det gjør alt verdt det.»