Nowy biomateriał, który można wstrzykiwać dożylnie, zmniejsza stan zapalny w tkance i wspomaga naprawę komórek i tkanek. Biomateriał został przetestowany i okazał się skuteczny w leczeniu uszkodzeń tkanek spowodowanych zawałami serca zarówno na modelach gryzoni, jak i dużych zwierząt. Badacze dostarczyli również dowodu koncepcji na modelu gryzoni, że biomateriał może być korzystny dla pacjentów z urazowym uszkodzeniem mózgu i tętniczym nadciśnieniem płucnym.
„Ten biomateriał pozwala leczyć uszkodzoną tkankę od wewnątrz” – powiedziała Karen Christman, profesor bioinżynierii na Uniwersytecie Kalifornijskim w San Diego i główny naukowiec w zespole, który opracował materiał. „To nowe podejście do inżynierii regeneracyjnej”.
Christman dodał, że badanie bezpieczeństwa i skuteczności biomateriału u ludzi może rozpocząć się w ciągu jednego do dwóch lat. Zespół złożony z bioinżynierów i lekarzy przedstawił swoje odkrycia w numerze Nature Biomedical Engineering z 29 grudnia.
Szacuje się, że każdego roku w Stanach Zjednoczonych odnotowuje się około 785 000 nowych przypadków zawału serca i nie ma ustalonej metody leczenia, która naprawiłaby powstałe uszkodzenia tkanki serca. Po zawale serca rozwija się tkanka bliznowata, która zmniejsza funkcję mięśni i może prowadzić do zastoinowej niewydolności serca.
„Choroba wieńcowa, ostry zawał mięśnia sercowego i zastoinowa niewydolność serca nadal są najbardziej uciążliwymi problemami zdrowia publicznego dotykającymi nasze społeczeństwo” — powiedział dr Ryan R. Reeves, lekarz z oddziału medycyny sercowo-naczyniowej UC San Diego. „Jako kardiolog interwencyjny, który na co dzień leczy pacjentów z chorobą niedokrwienną serca i zastoinową niewydolnością serca, bardzo chciałbym mieć kolejną terapię, która poprawi wyniki pacjentów i zmniejszy wyniszczające objawy”.
W poprzednich badaniach zespół kierowany przez Christmana opracował hydrożel wykonany z naturalnego rusztowania tkanki mięśnia sercowego, znanego również jako macierz pozakomórkowa (ECM), który można wstrzykiwać do uszkodzonej tkanki mięśnia sercowego przez cewnik. Żel tworzy rusztowanie w uszkodzonych obszarach serca, stymulując wzrost i naprawę nowych komórek. Jesienią 2019 r. ogłoszono wyniki udanego badania klinicznego fazy 1 na ludziach. Ale ponieważ musi być wstrzykiwany bezpośrednio do mięśnia sercowego, można go użyć dopiero tydzień lub dłużej po zawale serca – wcześniej groziłoby to uszkodzeniem z powodu procedura iniekcji z igłą.
Zespół chciał opracować leczenie, które można by zastosować natychmiast po zawale serca. Oznaczało to opracowanie biomateriału, który mógłby być wprowadzany do naczynia krwionośnego w sercu w tym samym czasie, co inne zabiegi, takie jak angioplastyka lub stent, lub wstrzykiwany dożylnie.
„Staraliśmy się zaprojektować terapię biomateriałową, która mogłaby być dostarczana do trudno dostępnych narządów i tkanek, i opracowaliśmy metodę wykorzystania krwioobiegu – naczyń, które już dostarczają krew do tych narządów i tkanek” powiedział Martin Spang, pierwszy autor artykułu, który uzyskał stopień doktora. w grupie Christmana w Shu Chien-Gene Lay Department of Bioengineering.
Jedną z zalet nowego biomateriału jest to, że jest równomiernie rozprowadzany w uszkodzonej tkance, ponieważ jest podawany we wlewie lub wstrzykiwany dożylnie. Natomiast hydrożel wstrzyknięty przez cewnik pozostaje w określonych miejscach i nie rozprzestrzenia się.
Jak powstaje biomateriał
Naukowcy z laboratorium Christmana zaczęli od opracowanego przez siebie hydrożelu, który okazał się kompatybilny z zastrzykami krwi w ramach testów bezpieczeństwa. Ale rozmiar cząstek w hydrożelu był zbyt duży, aby celować w nieszczelne naczynia krwionośne. Spang, a następnie doktorat. student w laboratorium Christmana rozwiązał ten problem, przepuszczając płynny prekursor hydrożelu przez wirówkę, co pozwoliło na odsianie większych cząstek i zatrzymanie tylko cząstek o nanocząsteczkach. Otrzymany materiał poddano dializie i sterylnej filtracji przed liofilizacją. Dodanie sterylnej wody do końcowego proszku daje biomateriał, który można wstrzykiwać dożylnie lub podawać we wlewie do tętnicy wieńcowej w sercu.
Jak to działa
Następnie naukowcy przetestowali biomateriał na modelu zawału serca u gryzoni. Spodziewali się, że materiał przejdzie przez naczynia krwionośne do tkanki, ponieważ po zawale serca powstają przerwy między komórkami śródbłonka w naczyniach krwionośnych.
Ale stało się coś jeszcze. Biomateriał wiąże się z tymi komórkami, zamykając szczeliny i przyspieszając gojenie się naczyń krwionośnych, zmniejszając w ten sposób stan zapalny. Naukowcy przetestowali również biomateriał na świńskim modelu zawału serca, uzyskując podobne wyniki.
Zespół z powodzeniem przetestował również hipotezę, że ten sam biomateriał może pomóc w zwalczaniu innych typów stanów zapalnych w szczurzych modelach urazowego uszkodzenia mózgu i tętniczego nadciśnienia płucnego. Laboratorium Christmana przeprowadzi kilka badań przedklinicznych dotyczących tych schorzeń.
Następne kroki
„Podczas gdy większość prac w tym badaniu dotyczyła serca, możliwości leczenia innych trudno dostępnych narządów i tkanek mogą otworzyć dziedzinę biomateriałów / inżynierii tkankowej na leczenie nowych chorób” – powiedział Spang.
W międzyczasie Christman wraz z Ventrix Bio, Inc., start-upem, którego była współzałożycielką, planują poprosić FDA o pozwolenie na przeprowadzenie badań na ludziach nad zastosowaniem nowego biomateriału w chorobach serca. Oznacza to, że badania kliniczne na ludziach rozpoczną się za rok lub dwa lata.
„Jednym z głównych powodów, dla których leczymy ciężką chorobę wieńcową i zawał mięśnia sercowego, jest zapobieganie dysfunkcji lewej komory i progresji do zastoinowej niewydolności serca” – powiedział dr Reeves. „Ta łatwa do podania terapia może potencjalnie odegrać znaczącą rolę w naszym podejściu do leczenia”.