跳动的心脏补丁修复心脏病引起的损伤

admin 2018-05-15

杜克大学的生物医学工程师创造了一个功能完备的人造心肌,其大小足以弥补患有心脏病发作的患者的典型损伤。这一进展朝着修复人类患者死心肌的最终目标迈进了一大步。该研究于2017年11月28日在Nature Communications上线。

“现在,几乎所有现有的治疗方法都旨在减少已经对心脏造成的损伤,但没有办法能够代替失去的肌肉,因为一旦它死了,它就不会重新生长自己“,”杜克大学生物医学工程博士生,第一作者Ilia Shadrin说。 “这是我们可以用体外制作的组织替代失去的肌肉的一种方式。”

与一些人体器官不同,心脏病发作后心脏不能再生。死肌往往被疤痕组织取代,这些组织不能再传输电信号或收缩,这两者对于顺利且有力的心跳都是必需的。

最终的结果是一种通常被称为心力衰竭的疾病,影响全球超过1200万患者。 Shadrin及其顾问Nenad Bursac(杜克大学生物医学工程教授)正在开发新疗法,以预防心脏衰竭及其致死并发症。

目前的临床试验正在测试将从骨髓,血液或心脏本身衍生的干细胞直接注射到受影响部位以试图补充一些受损肌肉的策略。尽管这些治疗似乎有一些积极作用,但其机制尚未完全明了。不到百分之一的注射细胞存活并留在心脏,甚至更少成为心肌细胞。

另一方面,心脏贴片可以植入死亡的肌肉上,并长时间保持活动状态,为收缩提供更大的力量,并为心脏的电信号传播提供了一条平坦的道路。这些贴剂还分泌酶和生长因子,可以帮助恢复尚未死亡的受损组织。

然而,为了使这种方法起作用,心脏贴片必须足够大以覆盖受影响的组织。它也必须与原生心脏组织一样强壮和电活跃,否则这种差异会导致致命的心律失常。

这是符合两个标准的第一个人类心脏补丁。 Bursac说:“创造个体心肌细胞是相当普遍的,但人们一直专注于为药物研发生长微型组织。” “把它扩大到这个尺寸是从未做过的事,它需要大量的工程创造力。”

心脏贴片的细胞是从人类多能干细胞 - 可以成为身体内任何类型细胞的细胞生长而来。 Bursac和Shadrin已经成功制作了许多不同的人类干细胞系,其中包括那些来源于胚胎和那些人工强迫或“诱导”进入其多能状态的细胞。

可以从这些干细胞培养各种类型的心脏细胞:心肌细胞,负责肌肉收缩的细胞;成纤维细胞,为心脏组织提供结构框架的细胞;和内皮和平滑肌细胞,即形成血管的细胞。研究人员将这些细胞以特定的比例置于果冻状物质中,在那里它们自我组织并长成有功能的组织。

寻找正确的细胞组合,支持结构,生长因子,营养素和培养条件来培育人体心脏组织的大型,功能齐全的斑块已经使团队多年的工作。每个容器和程序都必须从头开始设计和设计。把它们结合在一起的关键是有点摇摆和摇摆。

Shadrin说:“事实证明,摇动样本沐浴和泼溅以改善养分输送非常重要。 “与我们的静态样品相比,我们获得了比摇摆培养好3到5倍的效果。”

研究人员之前的贴片的结果有所改善,这些贴片是一平方厘米和四平方厘米。他们成功地扩大了16平方厘米和5到8个单元厚。测试表明,贴片中的心脏肌肉功能完全,具有类似于正常,健康成人心脏的电,机械和结构特性。

“这是非常困难的,因为生长的组织越大,在整个组织中保持相同的性质就越难,”Bursac说。 “同样具有挑战性的是使组织在五周的快速时间内成熟到成人力量,同时实现通常需要几年人类正常发育的特性。”

Bursac和Shadrin已经表明,这些心脏贴片存活,成为血管化,并保持其功能时,植入鼠标和大鼠心脏。然而,对于心脏贴片来替代人类患者中死亡心肌的工作,它将需要比在该研究中生长的组织厚得多。而对于那些厚厚的斑块,它们需要血管化,以便内部细胞能够接受足够的氧气和营养。即使这样,研究人员也必须弄清楚如何将心脏贴片与现有的肌肉充分结合。

Shadrin说:“像这样的完全整合非常重要,不仅仅是为了改善心脏的机械泵送,还要确保电波的顺利传播并将心律失常的风险降至最低。

Bursac补充说:“我们正在积极研究这一问题,其他方面也在积极努力,但现在,我们很高兴能够确定尺寸问题。”

这项研究是来自美国国立卫生研究院的7年860万美元赠款的一部分。由于手上有大量的心脏贴片,Bursac团队正与伯明翰阿拉巴马大学的研究人员合作开发程序,将贴片成功整合到猪心中。威斯康星大学麦迪逊分校的另一个附属研究小组正致力于开发改进的干细胞,用于创建组成这些心脏贴片的主要细胞类型,希望尽可能减少对工程组织递送的免疫反应。

这项研究得到了基金会Leducq和国立卫生研究院(R01HL104326,R01HL12652,UG3TR002142,U01HL134764,5T32GM007171,F30HL122079)的支持。

出版物:Ilya Y. Shadrin等人,“Cardiopatch platform使人类多能干细胞衍生的工程化心脏组织成熟和放大,”Nature Communications 8,文章编号:1825(2017)doi:10.1038 / s41467-017 -01946-X

资料来源:杜克大学的Ken Kingery


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