Choroba serca – główna przyczyna śmierci w USA – jest tak śmiertelna, że serce, w przeciwieństwie do innych narządów, nie może się naprawić po urazie. Dlatego inżynieria tkankowa, ostatecznie obejmująca masową produkcję całego ludzkiego serca do przeszczepu, jest tak ważna dla przyszłości medycyny kardiologicznej.
Aby zbudować ludzkie serce od podstaw, naukowcy muszą odtworzyć unikalne struktury, z których składa się serce. Obejmuje to odtwarzanie geometrii spiralnych, które tworzą ruch skręcający, gdy serce bije. Od dawna twierdzono, że ten ruch skręcający ma kluczowe znaczenie dla pompowania krwi w dużych ilościach, ale udowodnienie tego było trudne, po części dlatego, że tworzenie serc o różnych geometriach i ustawieniach było wyzwaniem.
Teraz bioinżynierowie z Harvard John A. Paulson School of Engineering and Applied Sciences (SEAS) opracowali pierwszy biohybrydowy model ludzkich komór serca ze spiralnie ułożonymi bijącymi komórkami serca i wykazali, że ułożenie mięśni w rzeczywistości dramatycznie zwiększa stopień krew, którą komora może pompować przy każdym skurczu.
Ten postęp był możliwy dzięki nowej metodzie addytywnego wytwarzania tekstyliów, Focused Rotary Jet Spinning (FRJS), która umożliwiła wysokowydajną produkcję spiralnie ułożonych włókien o średnicach od kilku mikrometrów do setek nanometrów. Opracowane w SEAS przez Kit Parker’s Disease Biophysics Group włókna FRJS kierują ułożeniem komórek, umożliwiając tworzenie kontrolowanych struktur tkankowych.
Badania zostały opublikowane w Science.
„Ta praca jest ważnym krokiem naprzód w biofabrykacji narządów i przybliża nas do naszego ostatecznego celu, jakim jest zbudowanie ludzkiego serca do przeszczepu” – powiedział Parker, profesor rodziny Tarr bioinżynierii i fizyki stosowanej w SEAS i starszy autor artykułu.
Ta praca ma swoje korzenie w wielowiekowej tajemnicy. W 1669 r. angielski lekarz Richard Lower – człowiek, który zaliczał Johna Locke’a do swoich kolegów, a króla Karola II do swoich pacjentów – po raz pierwszy zauważył spiralne ułożenie mięśnia sercowego w swoim przełomowym dziele Tractatus de Corde.
W ciągu następnych trzech stuleci lekarze i naukowcy zbudowali pełniejsze zrozumienie budowy serca, ale cel tych spiralnych mięśni pozostaje frustrująco trudny do zbadania.
W 1969 Edward Sallin, były przewodniczący Wydziału Biomatematyki na Uniwersytecie Alabama w Birmingham Medical School, twierdził, że spiralne ustawienie serca ma kluczowe znaczenie dla osiągnięcia dużych frakcji wyrzutowych – procentu, ile krwi komora pompuje przy każdym skurczu.
„Naszym celem było zbudowanie modelu, w którym moglibyśmy przetestować hipotezę Sallina i zbadać względną wagę struktury spiralnej serca” – powiedział John Zimmerman, doktor habilitowany w SEAS i współautor artykułu.
Aby przetestować teorię Sallina, naukowcy z projektu SEAS wykorzystali system FRJS do kontrolowania wyrównania włókien, na których mogli hodować komórki serca.
Pierwszy etap FRJS działa jak maszyna do waty cukrowej – płynny roztwór polimeru jest ładowany do zbiornika i wypychany przez niewielki otwór przez siłę odśrodkową, gdy urządzenie się obraca. Gdy roztwór opuszcza zbiornik, rozpuszczalnik odparowuje, a polimery zestalają się, tworząc włókna. Następnie skupiony strumień powietrza kontroluje orientację włókien, gdy są one osadzane na kolektorze. Zespół odkrył, że ustawiając kolektor pod kątem i obracając, włókna w strumieniu ustawiałyby się i skręcały wokół kolektora podczas wirowania, naśladując spiralną strukturę mięśnia sercowego.
Wyrównanie włókien można dostroić poprzez zmianę kąta kolektora.
„Ludzkie serce ma w rzeczywistości wiele warstw spiralnie ustawionych mięśni o różnych kątach ustawienia” – powiedział Huibin Chang, doktor habilitowany w SEAS i współautor artykułu. „Dzięki FRJS możemy odtworzyć te złożone struktury w bardzo precyzyjny sposób, tworząc jedno, a nawet czterokomorowe struktury komór”.
W przeciwieństwie do drukowania 3D, które staje się wolniejsze wraz ze zmniejszaniem się cech, FRJS może szybko obracać włókna w skali jednego mikrona – czyli około pięćdziesiąt razy mniejszej niż pojedynczy ludzki włos. To ważne, jeśli chodzi o budowanie serca od podstaw. Weźmy na przykład kolagen, białko macierzy zewnątrzkomórkowej w sercu, które również ma średnicę jednego mikrona. Wydrukowanie w 3D każdego kawałka kolagenu w ludzkim sercu w tej rozdzielczości zajęłoby ponad 100 lat. FRJS może to zrobić w jeden dzień.
Po wirowaniu do komór wysiewano kardiomiocyty szczurze lub komórki kardiomiocytów pochodzące z ludzkich komórek macierzystych. W ciągu tygodnia kilka cienkich warstw bijącej tkanki pokryło rusztowanie, a komórki podążały za ułożeniem włókien pod spodem.
Bijące komory naśladowały ten sam ruch skręcający lub wykręcający, jaki występuje w ludzkich sercach.
Badacze porównali deformację komór, szybkość sygnalizacji elektrycznej i frakcję wyrzutową komór wykonanych z włókien ułożonych spiralnie i tych wykonanych z włókien ułożonych obwodowo. Odkryli na każdym froncie, że spiralnie ułożona tkanka przewyższała tkankę ułożoną obwodowo.
„Od 2003 roku nasza grupa pracowała nad zrozumieniem relacji struktura-funkcja serca i tego, jak choroba patologicznie pogarsza te relacje” – powiedział Parker. „W tym przypadku wróciliśmy, aby zająć się nigdy nie przetestowaną obserwacją dotyczącą spiralnej struktury laminarnej architektury serca. Na szczęście profesor Sallin opublikował teoretyczną prognozę ponad pół wieku temu i byliśmy w stanie zbudować nową platformę produkcyjną co pozwoliło nam przetestować jego hipotezę i odpowiedzieć na to odwieczne pytanie”.
Zespół wykazał również, że proces można skalować do rozmiarów prawdziwego ludzkiego serca, a nawet większych, do rozmiarów serca wieloryba (nie zaszczepili większych modeli komórkami, ponieważ wymagałoby to miliardów komórek kardiomiocytów). ).
Oprócz biofabrykacji zespół bada również inne zastosowania platformy FRJS, takie jak pakowanie żywności.
Harvard Office of Technology Development chroni własność intelektualną związaną z tym projektem i bada możliwości komercjalizacji.
Projekt był częściowo wspierany przez Harvard Materials Research Science and Engineering Center (DMR-1420570, DMR-2011754), National Institutes of Health z Center for Nanoscale Systems (S10OD023519) oraz National Center for Advanced Translational Sciences (UH3TR000522, 1- UG3-HL-141798-01).