Tissue engineering: hur man bygger ett hjärta

Doris Taylor tar det inte som en förolämpning när folk kallar henne Dr Frankenstein. ”Det var faktiskt en av de större komplimangerna jag har fått”, säger hon — en bekräftelse på att hennes forskning driver gränserna för det möjliga. Med tanke på arten av hennes arbete som chef för regenerativ medicinforskning vid Texas Heart Institute i Houston, måste Taylor erkänna att jämförelsen är lämplig. Hon skördar regelbundet organ som hjärtan och lungorna från de nyligen döda, återingenjörer dem från cellerna och försöker få dem tillbaka till livet i hopp om att de kan slå eller andas igen i de levande.

Taylor är i spetsen för forskare som vill konstruera hela nya organ för att möjliggöra transplantationer utan risk för avstötning av mottagarens immunsystem. Strategin är enkel nog i princip. Ta först bort alla celler från ett dött organ — det behöver inte ens vara från en människa — ta sedan proteinställningen kvar och repopulera den med stamceller immunologiskt anpassade till patienten i nöd. Voil Bisexuell! Den förödande bristen på transplanterbara organ runt om i världen är löst.

i praktiken är dock processen besatt av enorma utmaningar. Forskare har haft viss framgång med att odla och transplantera ihåliga, relativt enkla organ som luftrör och blåsor (se go.nature.com/zvuxed). men växande fasta organ som njurar eller lungor innebär att man får dussintals celltyper i exakt rätt position och samtidigt växer kompletta nätverk av blodkärl för att hålla dem vid liv. De nya organen måste vara sterila, kunna växa om patienten är ung och åtminstone nominellt kunna reparera sig själva. Viktigast av allt måste de arbeta — helst under en livstid. Hjärtat är det tredje mest nödvändiga organet efter njurarna och levern, med en väntelista på cirka 3500 i USA ensam, men det innebär extra utmaningar för transplantation och bioengineering. Hjärtat måste slå hela tiden för att pumpa cirka 7000 liter blod per dag utan en back-up. Det har kammare och ventiler konstruerade från flera olika typer av specialiserade muskelceller som kallas kardiomyocyter. Och givarhjärtan är sällsynta, eftersom de ofta skadas av sjukdoms-eller återupplivningsinsatser, så en stadig tillförsel av biotekniska organ skulle vara välkommen.

Taylor, som ledde några av de första framgångsrika experimenten för att bygga råtthjärta1, är optimistisk om denna ultimata utmaning inom vävnadsteknik. ”Jag tycker att det är mycket genomförbart”, säger hon och lägger snabbt till, ”Jag tycker inte att det är enkelt.”Vissa kollegor är mindre optimistiska. Paolo Macchiarini, thoraxkirurg och forskare vid Karolinska Institutet i Stockholm, som har transplanterat biotekniska luftrör till flera patienter, säger att även om vävnadsteknik kan bli rutin för att ersätta rörformiga strukturer som vindrör, artärer och esofagi, är han ”inte säker på att detta kommer att hända med mer komplexa organ”.

men ansträngningen kan vara värt även om det misslyckas, säger Alejandro Soto-Guti Bisexrrez, forskare och kirurg vid University of Pittsburgh i Pennsylvania. ”Förutom drömmen om att skapa organ för transplantation finns det många saker vi kan lära av dessa system”, säger han — inklusive en bättre grundläggande förståelse för cellorganisation i hjärtat och nya tankar om hur man fixar en.

NIK SPENCER / natur

ställningen

i mer än ett decennium har biologer kunnat förvandla embryonala stamceller till att slå hjärtmuskelceller i en maträtt. Med lite elektrisk pacemaking från utsidan faller dessa konstruerade hjärtceller till och med i steg och upprätthåller synkron slag i timmar.

men att komma från ryckningar i en petriskål till ett fungerande hjärta kräver en byggnadsställning för att organisera cellerna i tre dimensioner. Forskare kan i slutändan kunna skapa sådana strukturer med tredimensionell tryckning-vilket visades tidigare i år med en artificiell trakea2 (se Nature http://doi.org/m2q; 2013). Under överskådlig framtid är emellertid den komplexa strukturen i det mänskliga hjärtat utom räckhåll för även de mest sofistikerade maskinerna. Detta gäller särskilt för de intrikata nätverk av kapillärer som måste förse hjärtat med syre och näringsämnen och ta bort avfallsprodukter från djupt inom dess vävnader. ”Vascularity är den stora utmaningen”, säger Anthony Atala, en urolog vid Wake Forest University i Winston-Salem, North Carolina, som har implanterat bioengineered blåsor i patienter3 och arbetar med att bygga njurar (se Nature http://doi.org/dw856h; 2006).

de ledande teknikerna för blivande hjärtbyggare innebär i allmänhet att återanvända vad biologi redan har skapat. Ett bra ställe att se hur detta görs är Massachusetts General Hospital i Boston, där Harald Ott, en kirurg och regenerativ Medicinforskare, visar en metod som han utvecklade under träning under Taylor i mitten av 2000-talet.

upphängd av plaströr i en trumformad kammare av glas och plast är ett friskt mänskligt hjärta. I närheten finns en pump som tyst trycker tvättmedel genom ett rör som löper in i hjärtans aorta. Flödet tvingar aortaklaffen stängd och skickar tvättmedlet genom nätverket av blodkärl som matade muskeln tills dess ägare dog några dagar tidigare. Under ungefär en vecka, förklarar Ott, kommer detta flöde av tvättmedel att avlägsna lipider, DNA, lösliga proteiner, sockerarter och nästan allt annat cellulärt material från hjärtat, vilket bara lämnar ett blekt nät av kollagen, lamininer och andra strukturella proteiner: den ’extracellulära matrisen’ som en gång höll organet ihop.

ställningshjärtat behöver inte vara mänskligt. Grisar lovar: de bär alla viktiga komponenter i den extracellulära matrisen, men är osannolikt att bära mänskliga sjukdomar. Och deras hjärtan försvagas sällan av sjukdom eller återupplivningsinsatser. ”Grisvävnader är mycket säkrare än människor och det finns ett obegränsat utbud”, säger Stephen Badylak, en regenerativ Medicinforskare vid University of Pittsburgh.

den knepiga delen, säger Ott, är att se till att tvättmedlet löser upp rätt mängd material. Ta bort för lite, och matrisen kan behålla några av cellytmolekylerna som kan leda till avstötning av mottagarens immunsystem. Ta bort för mycket, och det kan förlora viktiga proteiner och tillväxtfaktorer som berättar för nyintroducerade celler var de ska hålla sig och hur de ska bete sig. ”Om du kan använda en mildare agent och en kortare tidsram får du mer av ett ombyggnadssvar”, säger Thomas Gilbert, som studerar decellularisering hos ACell, ett företag i Columbia, Maryland, som producerar extracellulära matrisprodukter för regenerativ medicin.

genom försök och fel, skalning av koncentrationen, tidpunkten och trycket hos tvättmedlen, har forskare förfinat decellulariseringsprocessen på hundratals hjärtan och andra organ. Det är förmodligen det bäst utvecklade steget i det organgenererande företaget, men det är bara det första steget. Därefter måste ställningen återbefolkas med mänskliga celler.

cellerna

’Recellularisering’ introducerar en annan rad utmaningar, säger Jason Wertheim, en kirurg vid Northwestern University Feinberg School of Medicine i Chicago, Illinois. ”En, vilka celler använder vi? Två, hur många celler använder vi? Och tre, borde de vara mogna celler, embryonala stamceller, iPS-celler? Vad är den optimala cellkällan?”

att använda mogna celler är minst sagt svårt, säger Taylor. ”Du kan inte få vuxna kardiocyter att proliferera”, säger hon. ”Om du kunde, skulle vi inte ha det här samtalet alls” – för skadade hjärtan kunde reparera sig själva och det skulle inte behövas transplantationer.

de flesta forskare inom området använder en blandning av två eller flera celltyper, såsom endotelprekursorceller för att leda blodkärl och muskelförfäder för att frö väggarna i kamrarna. Ott har härlett dessa från iPS-celler-vuxna celler omprogrammerade till ett embryonalt stamcellsliknande tillstånd med hjälp av tillväxtfaktorer-eftersom dessa kan tas från en patient i nöd och användas för att göra immunologiskt matchade vävnader.

i princip kan iPS-cellmetoden ge det nya hjärtat sin fulla svit av celltyper, inklusive kärlceller och flera sorter av hjärtmuskelceller. Men i praktiken går det in i sina egna problem. Den ena är storleken på ett mänskligt hjärta. Siffrorna är allvarligt underskattade, säger Ott. ”Det är en sak att göra en miljon celler; en annan att göra 100 miljoner eller 50 miljarder celler.”Och forskare vet inte om de rätta celltyperna kommer att växa när iPS-celler används för att rekapitulera embryonal utveckling i en vuxen hjärtställning.

OTT LAB / MASSACHUSETTS GENERAL HOSPITAL

ett decellulariserat mänskligt hjärta väntar på ombyggnad med en injektion av prekursorceller.

när de koloniserar ställningen kommer några av de omogna cellerna att rota och börja växa. Men uppmanar dem att bli funktionella, att slå kardiomyocyter kräver mer än bara syresatt media och tillväxtfaktorer. ”Celler känner av sin miljö”, säger Angela Panoskaltsis-Mortari, som har försökt bygga lungor för transplantation vid University of Minnesota i Minneapolis. ”De känner inte bara av faktorerna. De känner av styvheten och den mekaniska spänningen”, vilket i sin tur driver cellerna ner i sin rätta utvecklingsväg.

så forskare måste sätta hjärtat i en bioreaktor som efterliknar känslan av att slå. Ott: s bioreaktorer använder en kombination av elektriska signaler — som liknar en pacemaker — för att hjälpa till att synkronisera de slagande kardiomyocyterna som frös på ställningen, kombinerat med fysiska slagrörelser som induceras av en pump (se ’anpassade organ’). Men forskare står inför en ständig kamp för att försöka apa de tillstånd som finns i människokroppen, såsom förändringar i hjärtfrekvens och blodtryck, eller närvaron av droger. ”Kroppen reagerar på saker och förändrar förhållandena så snabbt att det förmodligen är omöjligt att efterlikna det i en bioreaktor”, säger Badylak.

när Taylor och Ott först utvecklade bioreaktorer, för decellullariserade och repopulerade råtthjärtor, var de tvungna att lära sig när de gick. ”Det fanns mycket tejp i labbet”, säger Ott. Men så småningom kunde hjärtan slå på egen hand efter åtta till tio dagar i bioreaktorn, vilket gav ungefär 2% av pumpkapaciteten hos ett normalt vuxen råtthjärta1. Taylor säger att hon sedan dess har fått hjärtan från råttor och större däggdjur att pumpa med så mycket som 25% av normal kapacitet, även om hon ännu inte har publicerat uppgifterna. Hon och Ott är övertygade om att de är på rätt väg.

beat

den sista utmaningen är en av de svåraste: att placera ett nyvuxet, konstruerat hjärta i ett levande djur och hålla det slå länge.

kärlens integritet är den första barriären. Varje naken bit av matris fungerar som en grogrund för blodproppar som kan vara dödliga för organet eller djuret. ”Du kommer att behöva ett ganska intakt endotelfoder varje kärl eller du kommer att få koagulering eller läckage”, säger Gilbert.

Ott har visat att konstruerade organ kan överleva en tid. Hans grupp har transplanterat en enda bioteknisk lunga i en råtta, vilket visar att den kan stödja gasutbyte för djuret, men luftrummet fylls ganska snabbt med fluider4. Och en konstruerad råtta-njurtransplantation som Otts grupp rapporterade tidigt i år överlevde utan koagulering, men hade endast minimal förmåga att filtrera urin, förmodligen för att processen inte hade producerat tillräckligt med de celltyper som behövs av njuren5 (se Natur http://doi.org/m2r; 2013). Otts team och andra har implanterat rekonstruerade hjärtan i råttor, vanligtvis i nacken, i buken eller bredvid djurets eget hjärta. Men även om forskarna kan mata organen med blod och få dem att slå ett tag, har ingen av hjärtan kunnat stödja blodpumpfunktionen. Forskarna måste visa att ett hjärta har mycket högre förmåga att fungera innan de kan transplantera det till ett djur som är större än en råtta.

med hjärtat, säger Badylak, ”du måste börja med något som kan fungera ganska bra” från det ögonblick transplantationen är på plats. ”Du kan inte ha något som pumpar bara 1 eller 2 eller 5% av utstötningsfraktionen av det normala hjärtat och förväntar dig att göra skillnad”, säger han och hänvisar till ett gemensamt mått på pumpeffektivitet. Det finns inte mycket utrymme för misstag. ”Vi tar bara barnsteg”, säger Panoskaltsis-Mortari. ”Vi är där människor var med hjärttransplantation årtionden sedan.”

decellulariseringsprocessen som odlas av Ott och andra informerar redan utvecklingen av förbättrade vävnadsbaserade ventiler och andra delar av hjärtat och andra organ. En bioteknisk ventil kan till exempel vara längre än mekaniska eller döda vävnadsventiler eftersom de har potential att växa med en patient och reparera sig själva. Och andra organ kanske inte behöver bytas ut helt. ”Jag skulle bli förvånad om du inom de närmaste 5-7 åren inte ser patienten implanterad med åtminstone en del av en artär, lunglober, leverlober”, säger Badylak.

Taylor misstänker att partiella tillvägagångssätt kan hjälpa patienter med allvarliga hjärtfel som Hypoplastiskt vänsterhjärtssyndrom, där hälften av hjärtat är allvarligt underutvecklat. Återställa den andra hälften, ”i huvudsak tvingar dig att bygga de flesta av de saker du behöver”, hon säger.

och dessa ansträngningar kan hålla lektioner för utveckling av cellterapier som levereras till hjärtat. Forskare lär sig till exempel hur hjärtceller utvecklas och fungerar i tre dimensioner. I framtiden kan partiella byggnadsställningar, antingen syntetiska eller från kadaver, tillåta nya celler att fylla skadade områden av hjärtan och reparera dem som fläckar.

burkarna av spöklika flytande organ kan verka som ett grymt eko av Frankenstein-berättelsen, men Taylor säger att hennes arbete är ett kärleksarbete. ”Det finns några dagar som jag går,” Åh min Gud, vad har jag kommit in i? Å andra sidan är allt som krävs ett barn som ringer dig och säger ’ kan du hjälpa min mamma?’och det gör allt värt.”