Възстановяване на повредени сърца за наука
Възстановяването на лезия поради миокарден инфаркт е основен дял в медицината. Днес специалистите по инженерство на сърдечната тъкан са в състояние да предотвратят деградацията на сърцето след инфаркт при плъхове.
Благодарение на напредъка в медицината, все повече хора преживяват сърдечен удар, но една трета от тях в крайна сметка страдат от сърдечна недостатъчност, което в крайна сметка изисква трансплантация, сложно, скъпо и ограничено решение. Липса на донори. Продължителността на живота на хората, които не получават трансплантация, постепенно намалява и по-малко от 40 процента от тях са все още живи пет години след първата си атака.
Ако лекарите биха могли да поправят сърдечен удар или просто да предотвратят неговото разпространение, милиони животи биха били променени. Ето защо производството на фрагменти от жива човешка сърдечна тъкан се превърна в една от основните цели на тъканното инженерство. Той е и един от най-амбициозните. Фибрите в сърдечния мускул се организират, за да образуват физически и нервни връзки, които носят електрически сигнали и позволяват на влакната да синхронизират контракциите. Кожата и хрущялите са по-малко сложни за растеж в лабораторията, тъй като не са васкуларизирани. За сърдечния мускул основната трудност е доставянето на триизмерно парче тъкан.
Разбира се, преди петнадесет години перспективата да се „направи“ жива тъкан извън тялото беше като научна фантастика. И все пак биолози и инженери по материали са постигнали значителен напредък; например, разработихме поддръжка, която насърчава растежа на сърдечните клетки и кръвоносните съдове в мъртвата зона на инфаркт.
В търсене на идеалната подкрепа
Миокарден инфаркт - инфаркт - обикновено се случва, когато основен кръвоносен съд, снабдяващ лявата камера на сърцето, е блокиран от съсирек. Част от сърдечния мускул, миокардът, е лишен от кръв и следователно кислород, който разрушава клетките (кардиомиоцитите) в тази област. Размерът на инфаркта зависи от размера на областта, доставена от кръвоносния съд, преди да се блокира.
Тъй като миоцитите се делят лошо, оцелелите клетки не могат да заселят отново увредената зона. Местните стволови клетки, които действат като родоначалници на нови клетки в други тъкани, са неефективни в сърцето и не могат да възстановят щетите. Напротив,
неконтрактилни фиброзни клетки постепенно заместват мъртвите миоцити. Здравите миоцити, които граничат с инфаркта, също могат да умрат, увеличавайки степента на инфаркта. По време на този процес, известен като ремоделиране, стената на вентрикула в областта на инфаркта изтънява и понякога дори се разкъсва.
През последните години биолозите се опитаха да инициират растежа на сърдечната тъкан в зона на инфаркт чрез трансплантация на стволови клетки от други тъкани, като костен мозък или мускули, с надеждата, че тези клетки се адаптират към тяхната среда и произвеждат нови кардиомиоцити или стимулират естествения капацитет на сърцето за регенерация. За съжаление резултатите бяха разочароващи: много малко стволови клетки оцеляха след трансплантацията и тези, които обикновено се събират по краищата на инфаркта, но без да осъществяват контакт със съседна здрава тъкан или да ги провеждат. Електрически сигнали, които позволяват на сърдечните клетки да синхронизират своите контракции.
Тези имплантирани клетки не функционират в увредената област, тъй като естествената структура, която поддържа живите клетки, е изчезнала. В здравата тъкан извънклетъчният матрикс, изграден от структурни протеини като колаген и сложни захарни молекули, полизахариди, произвежда растежни фактори и осигурява физическа подкрепа за клетките.
В търсене на идеалната подкрепа
Тогава биолозите търсят идеална среда за растежа на живата тъкан, позволявайки на клетките да се разделят и организират в триизмерна тъкан. Тогава тези клетки щяха да започнат да секретират своя собствен извънклетъчен матрикс, рамката щеше да се разтвори, оставяйки след себе си само здрава тъкан. Нещо повече, рамката би стимулирала васкуларизацията на новата тъкан, кръвоносните съдове довеждат кислород до клетките и евакуират отпадъците им.
В края на 80-те години един от нас (Smadar Cohen) работи с Робърт Лангер, пионер в тъканното инженерство, в Масачузетския технологичен институт. По това време идеята за създаване на жива тъкан все още беше мечта. За 20 години са изследвани много материали (синтетични и естествени), които насърчават растежа на клетките във функционална тъкан.
Разградимите полиестери са сред най-често използваните синтетични материали, но имат няколко недостатъка. Те са хидрофобни, така че живите клетки се прилепват лошо към тях и структурите, направени с тези полимери, са склонни да се разпадат, вместо да се разграждат с редовна скорост. Киселинните странични продукти от тяхното разграждане предизвикват локално възпаление на тъканите и застрашават оцеляването на трансплантираните клетки. Новите синтетични хидрогелове нямат тези недостатъци и тяхната структура наподобява тази на естествения извънклетъчен матрикс, но им липсват протеините на естествения извънклетъчен матрикс, например колаген, които са от съществено значение за правилното функциониране на клетките.
Самият колаген, както и други протеини на извънклетъчната матрица, като фибронектин, също са тествани като носител. Въпреки че тези протеини съдържат аминокиселини, към които живите клетки се придържат, те нямат достатъчна механична якост, за да поддържат голям брой клетки, и освен това колагенът бързо се консумира от ензимите в тялото. В допълнение, някои протеини могат да бъдат отхвърлени от имунната система, което само би увеличило рисковете за пациента.
Затова решихме да направим рамка, направена с алгинат, полизахарид, получен от водорасли. Той е биосъвместим, тоест не се отхвърля от имунната система. И когато някои алгинати се разтварят във вода и след това се излагат на положително заредени калциеви йони, те се държат като хидрогел, съдържащ 98 процента вода: консистенцията им е желатинова и имат еластични свойства, подобни на тези на естествената извънклетъчна матрица.