Tissue engineering: hoe bouw je een hart

Doris Taylor ziet het niet als een belediging als mensen haar Dr Frankenstein noemen. “Het was eigenlijk een van de grotere complimenten die ik heb gekregen,” zegt ze — een bevestiging dat haar onderzoek is het verleggen van de grenzen van het mogelijke. Gezien de aard van haar werk als directeur regenerative medicine research aan het Texas Heart Institute in Houston, moet Taylor toegeven dat de vergelijking passend is. Ze oogst regelmatig organen zoals harten en longen uit de pas overleden, re-engineert ze vanaf de cellen en probeert ze weer tot leven te brengen in de hoop dat ze zouden kunnen kloppen of ademen weer in de levenden.Taylor is de voorhoede van onderzoekers die hele nieuwe organen willen ontwikkelen om transplantaties mogelijk te maken zonder het risico van afstoting door het immuunsysteem van de ontvanger. De strategie is in principe eenvoudig genoeg. Verwijder eerst alle cellen uit een dood orgaan — het hoeft niet eens van een mens te zijn — neem dan het achtergelaten eiwitsteiger en herbevolk het met stamcellen die immunologisch zijn afgestemd op de patiënt in nood. Voilà! Het verlammende tekort aan transplanteerbare organen over de hele wereld is opgelost.

in de praktijk staat het proces echter voor enorme uitdagingen. Onderzoekers hebben enig succes gehad met het kweken en transplanteren van holle, relatief eenvoudige organen zoals trachea ‘ s en blazen (zie go.nature.com/zvuxed maar het kweken van vaste organen zoals nieren of longen betekent het krijgen van tientallen celtypes in precies de juiste posities, en tegelijkertijd het kweken van complete netwerken van bloedvaten om ze in leven te houden. De nieuwe organen moeten steriel zijn, kunnen groeien als de patiënt jong is, en ten minste nominaal in staat zijn zichzelf te herstellen. Het belangrijkste is dat ze moeten werken — idealiter, voor een leven lang. Het hart is het derde meest benodigde orgaan na de nier en de lever, met een wachtlijst van ongeveer 3.500 in de Verenigde Staten alleen, maar het stelt extra uitdagingen voor transplantatie en bioengineering. Het hart moet constant kloppen om zo ‘ n 7.000 liter bloed per dag te pompen zonder back-up. Het heeft kamers en kleppen die van verscheidene verschillende types van gespecialiseerde spiercellen worden geconstrueerd genoemd cardiomyocytes. En donorharten zijn zeldzaam, omdat ze vaak beschadigd zijn door ziekte of reanimatie inspanningen, dus een constante toevoer van bio-engineered organen zou welkom zijn.Taylor, die enkele van de eerste succesvolle experimenten leidde om rattenhaarden te bouwen, is optimistisch over deze ultieme uitdaging in weefselmanipulatie. “Ik denk dat het uitstekend te doen is, “zegt ze, snel toe te voegen,” Ik denk niet dat het eenvoudig is.”Sommige collega’ s zijn minder optimistisch. Paolo Macchiarini, een thoracale chirurg en wetenschapper aan het Karolinska Instituut in Stockholm, die bio-engineered trachea ‘ s in verschillende patiënten heeft getransplanteerd, zegt dat hoewel weefseltechniek routine kan worden voor het vervangen van buisvormige structuren zoals windpijpen, slagaders en slokdarm, hij “niet zeker is dat dit zal gebeuren met meer complexe organen”.

toch kan de inspanning de moeite waard zijn, zelfs als het mislukt, zegt Alejandro Soto-Gutiérrez, een onderzoeker en chirurg aan de Universiteit van Pittsburgh in Pennsylvania. “Naast de droom om organen te maken voor transplantatie, zijn er veel dingen die we kunnen leren van deze systemen,” zegt hij — waaronder een beter basisbegrip van celorganisatie in het hart en nieuwe ideeën over hoe je er een kunt repareren.

NIK SPENCER / natuur

het schavot

al meer dan tien jaar zijn biologen in staat om embryonale stamcellen om te zetten in kloppende hartspiercellen in een schotel. Met een beetje elektrische pacemaking van buitenaf, vallen deze gemanipuleerde hartcellen zelfs in stap en handhaven synchroon kloppen voor uren.

maar om van trillende blobs in een petrischaal naar een werkend hart te komen, is een steiger nodig om de cellen in drie dimensies te organiseren. Onderzoekers kunnen uiteindelijk in staat zijn om dergelijke structuren te creëren met driedimensionaal printen – zoals eerder dit jaar werd aangetoond met een kunstmatige trachea2 (zie Natuur http://doi.org/m2q; 2013). Voor de nabije toekomst is de complexe structuur van het menselijk hart echter buiten het bereik van zelfs de meest geavanceerde machines. Dit geldt met name voor de ingewikkelde netwerken van haarvaten die het hart van zuurstof en voedingsstoffen moeten voorzien en afvalproducten diep in zijn weefsels moeten verwijderen. “Vascularity is the major challenge”, zegt Anthony Atala, een uroloog aan de Wake Forest University in Winston-Salem, North Carolina, die bio-engineered blazen heeft geïmplanteerd bij patiënten3 en werkt aan de opbouw van nieren (zie Nature http://doi.org/dw856h; 2006).

de toonaangevende technieken voor potentiële hartbouwers houden over het algemeen in dat de biologie al heeft gecreëerd. Een goede plek om te zien hoe dit gebeurt is het Massachusetts General Hospital in Boston, waar Harald Ott, chirurg en onderzoeker regeneratieve geneeskunde, een methode demonstreert die hij ontwikkelde tijdens zijn opleiding onder Taylor in het midden van de jaren 2000.

opgehangen door plastic buizen in een vatvormige kamer gemaakt van glas en plastic is een vers menselijk hart. In de buurt is een pomp die rustig wasmiddel duwt door een buis die in de aorta van het hart loopt. De stroom dwingt de aortaklep gesloten en stuurt het reinigingsmiddel door het netwerk van bloedvaten dat de spier voedde totdat de eigenaar een paar dagen eerder stierf. In de loop van ongeveer een week, legt Ott uit, zal deze stroom van detergent lipiden, DNA, oplosbare eiwitten, suikers en bijna al het andere cellulaire materiaal uit het hart verwijderen, waardoor er slechts een bleke gaas van collageen, lamininen en andere structurele eiwitten overblijft: de ‘extracellulaire matrix’ die ooit het orgaan bij elkaar hield.

het steigerhart hoeft niet menselijk te zijn. Varkens zijn veelbelovend: ze dragen alle cruciale componenten van de extracellulaire matrix, maar het is onwaarschijnlijk dat ze menselijke ziekten dragen. En hun hart wordt zelden verzwakt door ziekte of reanimatie. “Varkensweefsels zijn veel veiliger dan mensen en er is een onbeperkt aanbod”, zegt Stephen Badylak, onderzoeker regeneratieve geneeskunde aan de Universiteit van Pittsburgh.

het lastige deel, zegt Ott, is ervoor te zorgen dat het detergent precies de juiste hoeveelheid materiaal oplost. Strip weg te weinig, en de matrix kan een aantal van de cel-oppervlak moleculen die kunnen leiden tot afstoting door het immuunsysteem van de ontvanger te behouden. Verwijder te veel en het kan vitale eiwitten en groeifactoren verliezen die nieuw geïntroduceerde cellen vertellen waar ze zich moeten houden en hoe ze zich moeten gedragen. “Als je een milder middel en een korter tijdsbestek kunt gebruiken, krijg je meer een remodelleringsreactie”, zegt Thomas Gilbert, die decellularisatie bestudeert bij ACell, een bedrijf in Columbia, Maryland, dat extracellulaire matrixproducten voor regeneratieve geneeskunde produceert.

door middel van vallen en opstaan, waarbij de concentratie, timing en druk van de detergenten werden verhoogd, hebben onderzoekers het decellularisatieproces op honderden harten en andere organen verfijnd. Het is waarschijnlijk de best ontwikkelde fase van de orgaangenererende onderneming, maar het is slechts de eerste stap. Vervolgens moet de steiger opnieuw worden bevolkt met menselijke cellen.

de cellen

‘Recellularisatie’ introduceert nog een reeks uitdagingen, zegt Jason Wertheim, een chirurg aan de Feinberg School Of Medicine van de Northwestern University in Chicago, Illinois. “Ten eerste, welke cellen gebruiken we? Twee, hoeveel cellen gebruiken we? En drie: moeten het volwassen cellen zijn, embryonale stamcellen, iPS-cellen? Wat is de optimale celbron?”

het gebruik van rijpe cellen is op zijn zachtst gezegd lastig, zegt Taylor. “Je kunt Volwassen cardiocyten niet laten woekeren,” zegt ze. “Als je kon, zouden we dit gesprek helemaal niet hebben” — omdat beschadigde harten zichzelf konden herstellen en er geen transplantaties nodig zouden zijn.

de meeste onderzoekers in het veld gebruiken een mengsel van twee of meer celtypen, zoals endotheliale voorlopercellen om bloedvaten te verbinden en spiervoorlopercellen om de wanden van de kamers te bezaaien. Ott heeft deze van iPS cellen — volwassen cellen afgeleid die aan een embryonaal-stam-cel-als staat worden geherprogrammeerd gebruikend de groeifactoren-omdat deze van een patiënt in behoefte kunnen worden genomen en worden gebruikt om immunologisch aangepaste weefsels te maken.

in principe zou de iPS-celbenadering het nieuwe hart kunnen voorzien van zijn volledige reeks celtypen, waaronder vasculaire cellen en verschillende soorten hartspiercellen. Maar in de praktijk stuit het op zijn eigen problemen. De ene is de grootte van een menselijk hart. De cijfers worden ernstig ondergewaardeerd, zegt Ott. “Het is één ding om een miljoen cellen te maken; een ander om 100 miljoen of 50 miljard cellen te maken.”En onderzoekers weten niet of de juiste celtypes zullen groeien wanneer iPS-cellen worden gebruikt om embryonale ontwikkeling in een volwassen hartsteiger te herhalen.

OTT LAB / MASSACHUSETTS GENERAL HOSPITAL

een gedecellulariseerd menselijk hart wacht op de wederopbouw met een injectie van precursorcellen.

als ze het schavot koloniseren, zullen sommige onvolgroeide cellen wortel schieten en beginnen te groeien. Maar er bij hen op aandringen om functioneel te worden, vereist het verslaan van cardiomyocyten meer dan alleen zuurstofrijke media en groeifactoren. “Cellen voelen hun omgeving aan,” zegt Angela Panoskaltsis-Mortari, die heeft geprobeerd om longen te bouwen voor transplantatie aan de Universiteit van Minnesota in Minneapolis. “Ze voelen niet alleen de factoren. Ze voelen de stijfheid en de mechanische stress, ” die op zijn beurt duwt de cellen naar beneden hun juiste ontwikkelingspad.

onderzoekers moeten het hart in een bioreactor plaatsen die het gevoel van kloppen nabootst. De bioreactoren van Ott gebruiken een combinatie van elektrische signalen-verwant aan een pacemaker — om de kloppende cardiomyocyten die op het schavot gezaaid zijn, te helpen synchroniseren, gecombineerd met fysieke kloppende bewegingen die door een pomp worden geïnduceerd (zie ‘aangepaste organen’). Maar onderzoekers worden geconfronteerd met een constante strijd in het proberen om de voorwaarden aanwezig in het menselijk lichaam aap, zoals veranderingen in hartslag en bloeddruk, of de aanwezigheid van drugs. “Het lichaam reageert op dingen en verandert de omstandigheden zo snel dat het waarschijnlijk onmogelijk is om dat na te bootsen in een bioreactor”, zegt Badylak.

toen Taylor en Ott voor het eerst bioreactoren ontwikkelden voor gedecellulariseerde en opnieuw bevolkte rattenhart, moesten ze het leren. “Er was veel duct tape in het lab”, zegt Ott. Maar uiteindelijk waren de harten in staat om te kloppen op hun eigen na acht tot tien dagen in de bioreactor, produceren ongeveer 2% van de pompcapaciteit van een normale volwassen Rat hart1. Taylor zegt dat ze sindsdien harten van ratten en grotere zoogdieren heeft gekregen om te pompen met maar liefst 25% van de normale capaciteit, hoewel ze de gegevens nog niet heeft gepubliceerd. Zij en Ott zijn ervan overtuigd dat ze op de juiste weg zijn.

de slag

de laatste uitdaging is een van de moeilijkste: het plaatsen van een nieuw gekweekt, geconstrueerd hart in een levend dier, en het houden van het kloppen voor een lange tijd.

de integriteit van de vasculatuur is de eerste barrière. Elk naakt stukje matrix dient als broedplaats voor stolsels die fataal kunnen zijn voor het orgaan of het dier. “Je zult een behoorlijk intact endotheel nodig hebben om elk vat te vullen, anders krijg je stolling of lekkage”, zegt Gilbert.Ott heeft aangetoond dat geconstrueerde organen een tijd kunnen overleven. Zijn groep heeft een enkele bio-engineered long in een rat getransplanteerd, waaruit blijkt dat het gas uitwisseling voor het dier kon ondersteunen, maar het luchtruim vrij snel gevuld met fluids4. En een gemanipuleerde rat-niertransplantatie die Ott ‘ s groep begin dit jaar meldde, overleefde zonder stolling, maar had slechts een minimale capaciteit om urine te filteren, waarschijnlijk omdat het proces niet genoeg celtypes had geproduceerd die de kidney5 nodig hadden (zie Natuur http://doi.org/m2r; 2013). Ott ‘ s team en anderen hebben gereconstrueerde harten geïmplanteerd tot ratten, meestal in de nek, in de buik of naast het hart van het dier zelf. Maar hoewel de onderzoekers de organen kunnen voeden met bloed en ze een tijdje laten kloppen, is geen van de harten in staat geweest om de bloedpompfunctie te ondersteunen. De onderzoekers moeten aantonen dat een hart veel beter kan functioneren voordat ze het kunnen transplanteren naar een dier dat groter is dan een rat.

met het hart, zegt Badylak,” je moet beginnen met iets dat vrij goed kan functioneren ” vanaf het moment dat de transplantatie plaatsvindt. “Je kunt niet iets hebben pompen slechts 1 of 2 of 5% van de ejectiefractie van het normale hart en verwachten dat een verschil te maken,” zegt hij, verwijzend naar een gemeenschappelijke maatregel van pompen efficiëntie. Er is weinig ruimte voor fouten. “We nemen slechts kleine stapjes”, zegt Panoskaltsis-Mortari. “Wij zijn waar mensen waren met harttransplantatie decennia geleden.”

het decellularisatieproces dat door Ott en anderen wordt gecultiveerd, is reeds bepalend voor de ontwikkeling van verbeterde kleppen op weefselbasis en andere delen van het hart en andere organen. Een bio-engineered klep, bijvoorbeeld, kan langer duren dan mechanische of dood weefsel kleppen omdat ze het potentieel hebben om te groeien met een patiënt en zichzelf te herstellen. En andere organen hoeven misschien niet volledig te worden vervangen. “Het zou me verbazen als je binnen de komende 5-7 jaar niet ziet dat de patiënt geïmplanteerd wordt met ten minste een deel van een slagader, longkwabben en leverkwabben”, zegt Badylak.Taylor vermoedt dat partiële benaderingen patiënten met ernstige hartafwijkingen kunnen helpen, zoals hypoplastisch linkerhartsyndroom, waarbij de helft van het hart ernstig onderontwikkeld is. Het herstellen van de andere helft, “in wezen dwingt je om de meerderheid van de dingen die je nodig hebt te bouwen”, zegt ze.

en deze inspanningen zouden lessen kunnen inhouden voor de ontwikkeling van celtherapieën die aan het hart worden toegediend. Onderzoekers leren bijvoorbeeld hoe hartcellen zich ontwikkelen en functioneren in drie dimensies. In de toekomst kunnen gedeeltelijke steigers, synthetisch of van kadavers, nieuwe cellen toelaten om beschadigde gebieden van harten te bevolken en te repareren als patches.De potten van spookachtige zwevende orgels lijken misschien een gruwelijke echo van het Frankenstein-verhaal, maar Taylor zegt dat haar werk een werk van liefde is. “Er zijn dagen dat ik ga,’ Oh mijn god, wat heb ik in?’Aan de andere kant, alles wat nodig is, is een kind dat je belt en zegt ‘kun je mijn moeder helpen? en het maakt het allemaal de moeite waard.”