Inżynieria tkankowa: Jak zbudować serce

Doris Taylor nie uważa tego za obrazę, kiedy ludzie nazywają ją Doktorem Frankensteinem. „To był właściwie jeden z większych komplementów, jakie otrzymałam”, mówi — afirmacja, że jej badania przesuwają granice możliwego. Biorąc pod uwagę charakter jej pracy jako dyrektora badań medycyny regeneracyjnej w Texas Heart Institute w Houston, Taylor musi przyznać, że porównanie jest trafne. Regularnie pobiera organy, takie jak serca i płuca od nowo zmarłych, przebudowuje je, zaczynając od komórek i próbuje przywrócić je do życia w nadziei, że mogą ponownie bić lub oddychać w żywych.

Taylor jest w awangardzie naukowców, którzy chcą zaprojektować całe nowe narządy, aby umożliwić przeszczepy bez ryzyka odrzucenia przez układ odpornościowy biorcy. Strategia jest dość prosta w zasadzie. Najpierw usuń wszystkie komórki z martwego narządu – nawet nie musi pochodzić od człowieka – następnie weź pozostawione rusztowanie białkowe i ponownie zapełnij je komórkami macierzystymi dopasowanymi immunologicznie do potrzebującego pacjenta. Voila! Paraliżujący niedobór przeszczepialnych narządów na całym świecie został rozwiązany.

w praktyce jednak proces ten obarczony jest ogromnymi wyzwaniami. Naukowcy odnieśli pewne sukcesy w uprawie i przesadzaniu pustych, stosunkowo prostych narządów, takich jak tchawica i pęcherze (patrz go.nature.com/zvuxed). ale uprawa narządów stałych, takich jak nerki lub płuca, oznacza uzyskanie dziesiątek rodzajów komórek we właściwych pozycjach, a jednocześnie wzrost kompletnych sieci naczyń krwionośnych, aby utrzymać je przy życiu. Nowe narządy muszą być sterylne, zdolne do wzrostu, jeśli pacjent jest młody i przynajmniej nominalnie zdolne do samodzielnej naprawy. Co najważniejsze, muszą działać-najlepiej przez całe życie. Serce jest trzecim najbardziej potrzebnym organem po nerce i wątrobie, z listą oczekujących około 3500 w samych Stanach Zjednoczonych, ale stwarza dodatkowe wyzwania dla transplantacji i Bioinżynierii. Serce musi stale bić, aby pompować około 7000 litrów krwi dziennie bez wsparcia. Posiada komory i zastawki zbudowane z kilku różnych typów wyspecjalizowanych komórek mięśniowych zwanych kardiomiocytami. Serca dawców są rzadkie, ponieważ często są uszkodzone przez choroby lub wysiłki reanimacyjne, więc stały zapas bioinżynieryjnych narządów byłby mile widziany.

Taylor, który prowadził jedne z pierwszych udanych eksperymentów w celu zbudowania szczurzego serca1, z optymizmem patrzy na to ostateczne wyzwanie w inżynierii tkankowej. „Myślę, że jest to wyjątkowo wykonalne”, mówi, szybko dodając, ” nie sądzę, że to proste.”Niektórzy koledzy są mniej optymistyczni. Paolo Macchiarini, chirurg klatki piersiowej i naukowiec z Karolinska Institute w Sztokholmie, który przeszczepił bioinżynieryjne tchawice kilku pacjentom, mówi, że chociaż Inżynieria tkankowa może stać się rutyną w zastępowaniu struktur rurowych, takich jak przewody wiatrowe, tętnice i ezofagi, „nie jest pewien, czy stanie się to w przypadku bardziej złożonych narządów”.

jednak wysiłek może być opłacalny, nawet jeśli się nie powiedzie, mówi Alejandro Soto-Gutiérrez, naukowiec i chirurg z Uniwersytetu w Pittsburghu w Pensylwanii. „Poza marzeniem o stworzeniu narządów do transplantacji, istnieje wiele rzeczy, których możemy się nauczyć z tych systemów”, mówi — w tym lepsze podstawowe zrozumienie organizacji komórek w sercu i nowe pomysły na to, jak je naprawić.

NIK SPENCER / natura

rusztowanie

przez ponad dekadę biolodzy byli w stanie przekształcić embrionalne komórki macierzyste w bicie komórek mięśnia sercowego w naczyniu. Przy odrobinie elektrycznego rozrusznika serca z zewnątrz, te zaprojektowane komórki serca nawet wchodzą w krok i utrzymują synchroniczne bicie przez wiele godzin.

ale przejście od drgających plam w szalce Petriego do pracującego serca wymaga rusztowania, aby zorganizować komórki w trzech wymiarach. Naukowcy mogą ostatecznie stworzyć takie struktury za pomocą trójwymiarowego nadruku-jak wykazano wcześniej w tym roku przy użyciu sztucznej tchawicy2 (zob. Nature http://doi.org/m2q; 2013). W dającej się przewidzieć przyszłości złożona struktura ludzkiego serca jest jednak poza zasięgiem nawet najbardziej wyrafinowanych maszyn. Jest to szczególnie prawdziwe w przypadku skomplikowanych sieci naczyń włosowatych, które muszą zaopatrywać serce w tlen i składniki odżywcze oraz usuwać produkty odpadowe z głębi jego tkanek. „Unaczynienie jest głównym wyzwaniem”, mówi Anthony Atala, urolog z Uniwersytetu Wake Forest w Winston-Salem w Karolinie Północnej, który wszczepiał pacjentom pęcherze bioinżynieryjne3 i pracuje nad budową nerek (patrz Nature http://doi.org/dw856h; 2006).

wiodące techniki dla niedoszłych budowniczych serca zazwyczaj obejmują ponowne wykorzystanie tego, co Biologia już stworzyła. Dobrym miejscem, aby zobaczyć, jak to się robi, jest Massachusetts General Hospital w Bostonie, gdzie Harald Ott, chirurg i badacz medycyny regeneracyjnej, demonstruje metodę, którą opracował podczas treningu pod kierunkiem Taylora w połowie 2000 roku.

zawieszony na plastikowych rurkach w komorze w kształcie bębna wykonanej ze szkła i plastiku jest świeżym ludzkim sercem. W pobliżu znajduje się pompa, która cicho przepycha detergent przez rurkę wpadającą do aorty serca. Przepływ wymusza zamknięcie zastawki aortalnej i wysyła detergent przez sieć naczyń krwionośnych, które zasilały mięsień, aż jego właściciel zmarł kilka dni wcześniej. W ciągu około tygodnia, wyjaśnia Ott, ten przepływ detergentu usunie lipidy, DNA, rozpuszczalne białka, cukry i prawie wszystkie inne materiały komórkowe z serca, pozostawiając tylko bladą siatkę kolagenu, Laminin i innych białek strukturalnych: „matrycę zewnątrzkomórkową”, która kiedyś trzymała narząd razem.

serce nie musi być ludzkie. Świnie obiecują: noszą one wszystkie kluczowe składniki macierzy pozakomórkowej, ale jest mało prawdopodobne, aby przenosić choroby ludzkie. A ich serca rzadko są osłabione przez choroby lub wysiłki reanimacyjne. „Tkanki wieprzowe są znacznie bezpieczniejsze niż ludzie i są nieograniczone”, mówi Stephen Badylak, badacz medycyny regeneracyjnej na Uniwersytecie w Pittsburghu.

trudną częścią, mówi Ott, jest upewnienie się, że detergent rozpuszcza odpowiednią ilość materiału. Pozbądź się zbyt mało, a matryca może zatrzymać niektóre cząsteczki powierzchni komórki, które mogą prowadzić do odrzucenia przez układ odpornościowy biorcy. Pozbądź się zbyt wiele, a może stracić ważne białka i czynniki wzrostu, które mówią nowo wprowadzonym komórkom, gdzie mają się trzymać i jak się zachowywać. „Jeśli można użyć łagodniejszego środka i krótszego czasu, można uzyskać większą odpowiedź na przebudowę”, mówi Thomas Gilbert, który bada dekellularyzację w ACell, firmie z Columbii w stanie Maryland, która produkuje produkty z matrycą pozakomórkową do medycyny regeneracyjnej.

metodą prób i błędów, zwiększając stężenie, czas i ciśnienie detergentów, naukowcy udoskonalili proces dekellularyzacji setek serc i innych narządów. Jest to prawdopodobnie najlepiej rozwinięty etap przedsiębiorstwa wytwarzającego organy, ale jest to dopiero pierwszy krok. Następnie rusztowanie musi zostać ponownie wypełnione ludzkimi komórkami.

komórki

’Recelularyzacja’ wprowadza kolejny szereg wyzwań, mówi Jason Wertheim, chirurg w Northwestern University ’ s Feinberg School Of Medicine w Chicago, Illinois. „Po pierwsze, jakich komórek używamy? Dwa, ile komórek używamy? Po trzecie, czy powinny to być komórki Dojrzałe, embrionalne komórki macierzyste, komórki iPS? Jakie jest optymalne źródło komórek?”

używanie dojrzałych komórek jest co najmniej trudne, mówi Taylor. „Nie można zmusić dorosłych kardiocytów do proliferacji”, mówi. „Gdybyś mógł, w ogóle nie prowadzilibyśmy tej rozmowy — – bo uszkodzone serca mogłyby się same naprawić i nie byłoby potrzeby przeszczepów.

większość badaczy w tej dziedzinie wykorzystuje mieszaninę dwóch lub więcej typów komórek, takich jak komórki prekursorowe śródbłonka do linii naczyń krwionośnych i komórek progenitorowych mięśni do nasion ścian komór. Ott został czerpiąc je z komórek iPS-dorosłe komórki przeprogramowane do embrionalnych komórek macierzystych-jak stan za pomocą czynników wzrostu-ponieważ mogą one być pobierane od pacjenta w potrzebie i wykorzystywane do immunologicznie dopasowanych tkanek.

zasadniczo podejście do komórek iPS może zapewnić nowemu sercu Pełny Zestaw typów komórek, w tym komórek naczyniowych i kilku odmian komórek sercowo-mięśniowych. Ale w praktyce napotyka na własne problemy. Jednym z nich jest wielkość ludzkiego serca. Liczby są poważnie niedoceniane, mówi Ott. „Co innego zrobić milion komórek, a co innego 100 czy 50 miliardów komórek.”Badacze nie wiedzą, czy właściwe typy komórek będą rosły, gdy komórki iPS będą wykorzystywane do rekapitulacji rozwoju embrionalnego w DOROSŁYM rusztowaniu serca.

OTT LAB / MASSACHUSETTS GENERAL HOSPITAL

zdekompletowane ludzkie serce czeka na odbudowę z wstrzyknięciem komórek prekursorowych.

w miarę kolonizowania rusztowania niektóre niedojrzałe komórki zakorzenią się i zaczną rosnąć. Ale nakłaniając je, aby stały się funkcjonalne, bicie kardiomiocytów wymaga czegoś więcej niż tylko natlenionych mediów i czynników wzrostu. „Komórki wyczuwają swoje środowisko”, mówi Angela Panoskaltsis-Mortari, która próbuje zbudować płuca do przeszczepu na University of Minnesota w Minneapolis. „Nie tylko wyczuwają czynniki. Wyczuwają sztywność i naprężenia mechaniczne”, co z kolei popycha komórki w dół ich właściwej ścieżki rozwoju.

więc naukowcy muszą umieścić serce w bioreaktorze, który naśladuje uczucie bicia. Bioreaktory Ott wykorzystują kombinację sygnałów elektrycznych-podobnych do rozrusznika serca — aby pomóc zsynchronizować bijące kardiomiocyty osadzone na rusztowaniu, w połączeniu z fizycznymi ruchami bicia wywołanymi przez pompę (patrz „niestandardowe narządy”). Ale naukowcy stoją w obliczu ciągłej walki w próbach małpowania warunków obecnych w ludzkim ciele, takich jak zmiany częstości akcji serca i ciśnienia krwi lub obecność leków. „Ciało reaguje na rzeczy i zmienia warunki tak szybko, że prawdopodobnie nie da się tego naśladować w bioreaktorze”, mówi Badylak.

kiedy Taylor i Ott po raz pierwszy opracowywali bioreaktory, dla zdekompletowanych i odbudowanych szczurzych serc, musieli się uczyć w miarę upływu czasu. „W laboratorium było dużo taśmy klejącej”, mówi Ott. Ostatecznie jednak serca były w stanie bić samodzielnie po ośmiu do dziesięciu dniach w bioreaktorze, wytwarzając około 2% zdolności pompowania normalnego serca dorosłego szczura1. Taylor mówi, że od tego czasu ma serca od szczurów i większych ssaków do pompowania Z nawet 25% normalnej pojemności, chociaż nie opublikowała jeszcze danych. Ona i Ott są pewni, że są na dobrej drodze.

bicie

ostatnie wyzwanie jest jednym z najtrudniejszych: umieszczenie świeżo wyhodowanego serca w żywym zwierzęciu i utrzymywanie go przez długi czas.

integralność naczyń jest pierwszą barierą. Każdy nagi kawałek matrycy służy jako pożywka dla skrzepów, które mogą być śmiertelne dla narządu lub zwierzęcia. „Będziesz potrzebował całkiem nienaruszonego śródbłonka wyściełającego każde naczynie lub będziesz miał krzepnięcie lub wyciek”, mówi Gilbert.

Ott wykazał, że zaprojektowane organy mogą przetrwać przez pewien czas. Jego grupa przeszczepiła szczurowi jedno bioinżynieryjne płuco, pokazując, że może ono wspierać wymianę gazową zwierzęcia, ale przestrzeń powietrzna dość szybko wypełniła się fluidami4. I zmodyfikowany przeszczep nerki szczura, który Grupa Ott zgłosiła na początku tego roku, przeżył bez krzepnięcia, ale miał tylko minimalną zdolność filtrowania moczu, prawdopodobnie dlatego, że proces nie wytworzył wystarczającej liczby typów komórek potrzebnych kidney5 (patrz Nature http://doi.org/m2r; 2013). Zespół Otta i inni wszczepili zrekonstruowane serca szczurom, zwykle w szyję, w brzuch lub wzdłuż własnego serca zwierzęcia. Ale chociaż naukowcy mogą karmić organy krwią i zmusić je do bicia przez jakiś czas, Żadne z serc nie było w stanie wspierać funkcji pompowania krwi. Naukowcy muszą wykazać, że serce ma znacznie wyższą zdolność do funkcjonowania, zanim będą mogli przeszczepić je zwierzęciu większemu niż szczur.

z sercem, mówi Badylak, „trzeba zacząć od czegoś, co może całkiem dobrze funkcjonować” od momentu, gdy przeszczep jest na miejscu. „Nie możesz mieć czegoś pompującego tylko 1, 2 lub 5% frakcji wyrzutowej normalnego serca i oczekiwać, że coś zmieni”, mówi, odnosząc się do wspólnej miary wydajności pompowania. Nie ma tu miejsca na błędy. – Robimy małe kroczki-mówi Panoskaltsis-Mortari. „Jesteśmy tam, gdzie ludzie przeszczepili serce dziesiątki lat temu.”

proces dekellularyzacji uprawiany przez Ott i innych już informuje o rozwoju ulepszonych zastawek tkankowych i innych części serca i innych narządów. Na przykład zawór bioinżynieryjny może trwać dłużej niż zawory mechaniczne lub martwe tkanki, ponieważ mogą one rosnąć wraz z pacjentem i same się naprawiać. Inne narządy mogą nie wymagać całkowitej wymiany. „Zdziwiłbym się, gdyby w ciągu najbliższych 5-7 lat nie było pacjenta wszczepionego przynajmniej części tętnicy, płatów płuca, płatów wątroby” – mówi Badylak.

Taylor podejrzewa, że częściowe podejście może pomóc pacjentom z ciężkimi wadami serca, takimi jak zespół niedorozwoju lewego serca, w którym połowa serca jest poważnie niedorozwinięta. Przywracając drugą połowę, „zasadniczo zmusza cię do zbudowania większości rzeczy, których potrzebujesz”, mówi.

i te wysiłki mogą prowadzić lekcje dla rozwoju terapii komórkowych dostarczanych do serca. Naukowcy uczą się na przykład, jak komórki serca rozwijają się i funkcjonują w trzech wymiarach. W przyszłości częściowe rusztowania, syntetyczne lub pochodzące ze zwłok, mogłyby pozwolić nowym komórkom zaludnić uszkodzone obszary serc i naprawić je jak plastry.

słoiki upiornie pływających organów mogą wydawać się makabrycznym echem historii Frankensteina, ale Taylor mówi, że jej praca jest pracą miłości. „Są takie dni, Kiedy mówię:” o mój Boże, w co ja się wpakowałem? Z drugiej strony, wystarczy, że dzieciak zadzwoni do Ciebie i powie: „czy możesz pomóc mojej matce? i to sprawia, że wszystko się opłaca.”