ingineria țesuturilor: cum să construiești o inimă

Doris Taylor nu o ia ca pe o insultă când oamenii o numesc Dr.Frankenstein. „A fost de fapt unul dintre cele mai mari complimente pe care le — am primit”, spune ea-o afirmație că cercetarea ei împinge limitele posibilului. Având în vedere natura activității sale ca director de cercetare în medicină regenerativă la Texas Heart Institute din Houston, Taylor trebuie să admită că comparația este potrivită. Ea recoltează în mod regulat organe, cum ar fi inimile și plămânii, de la noii morți, le re-inginerește pornind de la celule și încearcă să le readucă la viață în speranța că ar putea să bată sau să respire din nou în cei vii.

Taylor se află în avangarda cercetătorilor care doresc să proiecteze organe întregi noi, pentru a permite transplanturile fără riscul respingerii de către sistemul imunitar al beneficiarului. Strategia este destul de simplă în principiu. Mai întâi scoateți toate celulele dintr — un organ mort — nici măcar nu trebuie să fie de la un om-apoi luați schela proteică lăsată în urmă și repopulați-o cu celule stem adaptate imunologic la pacientul care are nevoie. Voil sec! Deficitul paralizant de organe transplantabile din întreaga lume este rezolvat.

cu toate acestea, în practică, procesul este asaltat de provocări enorme. Cercetătorii au avut un anumit succes în creșterea și transplantarea organelor goale, relativ simple, cum ar fi traheele și vezicile (vezi go.nature.com/zvuxed). dar creșterea organelor solide, cum ar fi rinichii sau plămânii, înseamnă obținerea a zeci de tipuri de celule exact în pozițiile corecte și, simultan, creșterea rețelelor complete de vase de sânge pentru a le menține în viață. Noile organe trebuie să fie sterile, capabile să crească dacă pacientul este tânăr și cel puțin nominal capabil să se repare. Cel mai important, ei trebuie să lucreze — în mod ideal, pentru o viață. Inima este al treilea organ cel mai necesar după rinichi și ficat, cu o listă de așteptare de aproximativ 3.500 numai în Statele Unite, dar reprezintă provocări suplimentare pentru transplant și bioinginerie. Inima trebuie să bată constant pentru a pompa aproximativ 7.000 de litri de sânge pe zi fără o rezervă. Are camere și supape construite din mai multe tipuri diferite de celule musculare specializate numite cardiomiocite. Iar inimile donatorilor sunt rare, deoarece sunt adesea afectate de boli sau eforturi de resuscitare, astfel încât o aprovizionare constantă de organe bioinginerate ar fi binevenită.

Taylor, care a condus unele dintre primele experimente de succes pentru a construi inimi de șobolan1, este optimist cu privire la această provocare finală în ingineria țesuturilor. „Cred că este eminamente realizabil”, spune ea, adăugând rapid, ” nu cred că este simplu.”Unii colegi sunt mai puțin optimiști. Paolo Macchiarini, chirurg toracic și om de știință la Institutul Karolinska din Stockholm, care a transplantat trahee bioinginerate la mai mulți pacienți, spune că, deși ingineria țesuturilor ar putea deveni o rutină pentru înlocuirea structurilor tubulare, cum ar fi trahee, artere și esofagi, el „nu este încrezător că acest lucru se va întâmpla cu organe mai complexe”.

cu toate acestea, efortul poate fi util, chiar dacă nu reușește, spune Alejandro Soto-Guti Oktocrrez, cercetător și chirurg la Universitatea din Pittsburgh din Pennsylvania. „Pe lângă visul de a face organe pentru transplant, există o mulțime de lucruri pe care le putem învăța din aceste sisteme”, spune el — inclusiv o mai bună înțelegere de bază a organizării celulare în inimă și idei noi despre cum să remediem una.

NIK SPENCER / natură

schela

de mai bine de un deceniu, biologii au reușit să transforme celulele stem embrionare în celule musculare cardiace într-un vas. Cu un pic de stimulare electrică din exterior, aceste celule cardiace proiectate chiar cad în pas și mențin bătăile sincrone ore întregi.

dar trecerea de la spasm blobs într-un vas Petri la o inimă de lucru necesită o schelă pentru a organiza celulele în trei dimensiuni. Cercetătorii pot fi în cele din urmă capabili să creeze astfel de structuri cu imprimare tridimensională-așa cum a fost demonstrat la începutul acestui an cu o traheă artificială2 (vezi Nature http://doi.org/m2q; 2013). Cu toate acestea, pentru viitorul previzibil, structura complexă a inimii umane este dincolo de îndemâna celor mai sofisticate mașini. Acest lucru este valabil în special pentru rețelele complicate de capilare care trebuie să furnizeze inimii oxigen și substanțe nutritive și să elimine produsele reziduale din adâncul țesuturilor sale. „Vascularizarea este provocarea majoră”, spune Anthony Atala, urolog la Universitatea Wake Forest din Winston-Salem, Carolina de Nord, care a implantat vezici bioingineri la pacienți3 și lucrează la construirea rinichilor (vezi Nature http://doi.org/dw856h; 2006).

tehnicile de conducere pentru viitorii constructori de inimă implică, în general, reutilizarea a ceea ce biologia a creat deja. Un loc bun pentru a vedea cum se face acest lucru este Massachusetts General Hospital din Boston, unde Harald Ott, chirurg și cercetător în medicina regenerativă, demonstrează o metodă pe care a dezvoltat-o în timp ce se antrena sub Taylor la mijlocul anilor 2000.

suspendat de tuburi de plastic într-o cameră în formă de tambur din sticlă și plastic este o inimă umană proaspătă. În apropiere se află o pompă care împinge liniștit detergentul printr-un tub care intră în aorta inimii. Fluxul forțează valva aortică închisă și trimite detergentul prin rețeaua de vase de sânge care au hrănit mușchiul până când proprietarul său a murit cu câteva zile înainte. Pe parcursul a aproximativ o săptămână, explică Ott, acest flux de detergent va îndepărta lipidele, ADN-ul, proteinele solubile, zaharurile și aproape toate celelalte materiale celulare din inimă, lăsând doar o plasă palidă de colagen, laminine și alte proteine structurale: matricea extracelulară care a ținut organul împreună.

inima schelei nu trebuie să fie umană. Porcii sunt promițători: ele poartă toate componentele cruciale ale matricei extracelulare, dar este puțin probabil să poarte boli umane. Iar inimile lor sunt rareori slăbite de boală sau de eforturile de resuscitare. „Țesuturile de porc sunt mult mai sigure decât oamenii și există o cantitate nelimitată”, spune Stephen Badylak, cercetător în medicină regenerativă la Universitatea din Pittsburgh.

partea dificilă, spune Ott, este să vă asigurați că detergentul dizolvă doar cantitatea potrivită de material. Îndepărtați prea puțin, iar matricea ar putea reține unele dintre moleculele de suprafață celulară care pot duce la respingerea de către sistemul imunitar al destinatarului. Îndepărtați prea mult și ar putea pierde proteine vitale și factori de creștere care spun celulelor nou introduse unde să adere și cum să se comporte. „Dacă puteți utiliza un agent mai blând și un interval de timp mai scurt, veți obține mai mult un răspuns de remodelare”, spune Thomas Gilbert, care studiază decelularizarea la ACell, o companie din Columbia, Maryland, care produce produse cu matrice extracelulară pentru medicina regenerativă.

prin încercări și erori, mărind concentrația, calendarul și presiunea detergenților, cercetătorii au rafinat procesul de decelularizare pe sute de inimi și alte organe. Este probabil cea mai bine dezvoltată etapă a întreprinderii generatoare de organe, dar este doar primul pas. Apoi, schela trebuie repopulată cu celule umane.

celulele

‘Recellularizarea’ introduce o altă serie de provocări, spune Jason Wertheim, chirurg la școala de Medicină Feinberg a Universității Northwestern din Chicago, Illinois. „Unu, ce celule folosim? Doi, câte celule folosim? Și trei, ar trebui să fie celule mature, celule stem embrionare, celule iPS? Care este sursa optimă de celule?”

folosirea celulelor mature este cel puțin dificil de spus, spune Taylor. „Nu puteți obține cardiocitele adulte să prolifereze”, spune ea. „Dacă ai putea, nu am avea deloc această conversație — – pentru că inimile deteriorate s-ar putea repara și nu ar fi nevoie de transplanturi.

majoritatea cercetătorilor din domeniu folosesc un amestec de două sau mai multe tipuri de celule, cum ar fi celulele precursoare endoteliale pentru a alinia vasele de sânge și progenitorii musculare pentru a semăna pereții camerelor. Ott le — a derivat din celulele iPS-celule adulte reprogramate într-o stare asemănătoare celulelor stem embrionare folosind factori de creștere-deoarece acestea pot fi luate de la un pacient care are nevoie și utilizate pentru a face țesuturi potrivite imunologic.

în principiu, abordarea celulelor iPS ar putea oferi noii Inimi suita completă de tipuri de celule, inclusiv celule vasculare și mai multe varietăți de celule musculare cardiace. Dar, în practică, se confruntă cu propriile probleme. Una este dimensiunea pură a unei inimi umane. Numerele sunt serios subapreciate, spune Ott. „Una este să faci un milion de celule; alta este să faci 100 de milioane sau 50 de miliarde de celule.”Și cercetătorii nu știu dacă tipurile de celule potrivite vor crește atunci când celulele iPS sunt utilizate pentru a recapitula dezvoltarea embrionară într-o schelă de inimă adultă.

OTT LAB / MASSACHUSETTS General HOSPITAL

o inimă umană decelularizată așteaptă reconstrucția cu o injecție de celule precursoare.

pe măsură ce colonizează schela, unele dintre celulele imature vor prinde rădăcini și vor începe să crească. Dar îndemnându-i să devină funcționali, bătaia cardiomiocitelor necesită mai mult decât medii oxigenate și factori de creștere. „Celulele își simt mediul”, spune Angela Panoskaltsis-Mortari, care a încercat să construiască plămâni pentru transplant la Universitatea Minnesota din Minneapolis. „Ei nu simt doar factorii. Ei simt rigiditatea și stresul mecanic, ” care, la rândul său, împinge celulele pe calea lor de dezvoltare corespunzătoare.

deci, cercetătorii trebuie să pună inima într-un bioreactor care imită senzația de bătaie. Bioreactoarele Ott folosesc o combinație de semnale electrice — asemănătoare unui stimulator cardiac — pentru a ajuta la sincronizarea cardiomiocitelor de bătaie însămânțate pe schelă, combinate cu mișcări fizice de bătaie induse de o pompă (vezi ‘organe personalizate’). Dar cercetătorii se confruntă cu o luptă constantă în încercarea de a maimuța condițiile prezente în corpul uman, cum ar fi modificările ritmului cardiac și ale tensiunii arteriale sau prezența medicamentelor. „Corpul reacționează la lucruri și schimbă condițiile atât de repede încât este probabil imposibil să imite asta într-un bioreactor”, spune Badylak.

când Taylor și Ott au dezvoltat pentru prima dată bioreactori, pentru inimi de șobolan decelularizate și repopulate, au trebuit să învețe pe măsură ce mergeau. „A existat o mulțime de bandă adezivă în laborator”, spune Ott. Dar, în cele din urmă, inimile au reușit să bată singure după opt până la zece zile în bioreactor, producând aproximativ 2% din capacitatea de pompare a unei inimi normale de șobolan adult1. Taylor spune că de atunci a primit inimi de la șobolani și mamifere mai mari pentru a pompa cu până la 25% din capacitatea normală, deși nu a publicat încă datele. Ea și Ott sunt încrezători că sunt pe calea cea bună.

ritmul

provocarea finală este una dintre cele mai grele: plasarea unei inimi nou crescute, proiectate într-un animal viu și menținerea ei bătând mult timp.

integritatea vasculaturii este prima barieră. Orice bucată goală de matrice servește ca teren de reproducere pentru cheaguri care ar putea fi fatale pentru organ sau animal. „Veți avea nevoie de un endoteliu destul de intact care să acopere fiecare vas sau veți avea coagulare sau scurgeri”, spune Gilbert.

Ott a demonstrat că organele proiectate pot supraviețui pentru un timp. Grupul său a transplantat un singur plămân bioinginerat într-un șobolan, arătând că ar putea susține schimbul de gaze pentru animal, dar spațiul aerian s-a umplut destul de repede cu fluide4. Și un transplant de rinichi de șobolan pe care grupul Ott l-a raportat la începutul acestui an a supraviețuit fără coagulare, dar a avut doar o capacitate minimă de a filtra urina, probabil pentru că procesul nu a produs suficiente tipuri de celule necesare rinichilor5 (vezi Nature http://doi.org/m2r; 2013). Echipa lui Ott și alții au implantat Inimi reconstruite în șobolani, în general în gât, în abdomen sau alături de inima animalului. Dar, deși cercetătorii pot hrăni organele cu sânge și le pot face să bată pentru o vreme, niciuna dintre Inimi nu a reușit să susțină funcția de pompare a sângelui. Cercetătorii trebuie să demonstreze că o inimă are o capacitate mult mai mare de a funcționa înainte de a o putea transplanta într-un animal mai mare decât un șobolan.

cu inima, spune Badylak, „trebuie să începi cu ceva care poate funcționa destul de bine” din momentul în care transplantul este în loc. „Nu poți avea ceva care să pompeze doar 1 sau 2 sau 5% din fracția de ejecție a inimii normale și să te aștepți să facă o diferență”, spune el, referindu-se la o măsură comună a eficienței pompării. Există puțin loc pentru eroare. „Facem doar pași mici”, spune Panoskaltsis-Mortari. „Suntem acolo unde oamenii erau cu transplant de inimă cu zeci de ani în urmă.”

procesul de decelularizare cultivat de Ott și alții informează deja dezvoltarea unor supape îmbunătățite pe bază de țesut și a altor părți ale inimii și ale altor organe. O supapă bioinginerată, de exemplu, poate dura mai mult decât supapele mecanice sau de țesut mort, deoarece acestea au potențialul de a crește cu un pacient și de a se repara. Și este posibil ca alte organe să nu fie înlocuite în întregime. „Aș fi surprins dacă în următorii 5-7 ani nu veți vedea pacientul implantat cu cel puțin o parte a unei artere, lobi ai unui plămân, lobi ai unui ficat”, spune Badylak.

Taylor suspectează că abordările parțiale ar putea ajuta pacienții cu defecte cardiace severe, cum ar fi sindromul hipoplazic al inimii stângi, în care jumătate din inimă este sever subdezvoltată. Restaurarea celeilalte jumătăți” te obligă în esență să construiești majoritatea lucrurilor de care ai nevoie”, spune ea.

și aceste eforturi ar putea deține lecții pentru dezvoltarea terapiilor celulare livrate inimii. Cercetătorii învață, de exemplu, cum se dezvoltă și funcționează celulele inimii în trei dimensiuni. În viitor, schele parțiale, fie sintetice, fie din cadavre, ar putea permite celulelor noi să populeze zonele deteriorate ale inimilor și să le repare ca niște patch-uri.

borcanele cu organe plutitoare fantomatice ar putea părea un ecou înspăimântător al poveștii lui Frankenstein, dar Taylor spune că munca ei este o muncă de dragoste. „Sunt câteva zile în care mă duc:” o, Doamne, în ce am intrat? Pe de altă parte, e nevoie doar de un copil care să te sune și să-ți spună: o poți ajuta pe mama? și face ca totul să merite.”