Neue Strategie zur Reparatur eines gebrochenen Herzens: Scaffold unterstützt aus Stammzellen gewonnene Herzmuskelzellen

Neue Strategie zur Reparatur eines gebrochenen Herzens: Scaffold unterstützt aus Stammzellen gewonnene Herzmuskelzellen
Neue Strategie zur Reparatur eines gebrochenen Herzens: Scaffold unterstützt aus Stammzellen gewonnene Herzmuskelzellen
Anonim

Heutzutage sterben Menschen normalerweise nicht an einem Herzinfarkt. Aber die Schädigung des Herzmuskels ist irreversibel, und die meisten Patienten erliegen schließlich einer kongestiven Herzinsuffizienz, der häufigsten Todesursache in Industrieländern.

Stammzellen bieten jetzt Hoffnung, das zu erreichen, was der Körper nicht kann: gebrochene Herzen heilen. Ingenieure und Mediziner der University of Washington haben ein Gerüst gebaut, das das Wachstum und die Integration von aus Stammzellen gewonnenen Herzmuskelzellen unterstützt.Eine Beschreibung des Gerüsts, das das Wachstum von Herzzellen im Labor unterstützt und das Wachstum von Blutgefäßen in lebenden Tieren fördert, wird diese Woche in den Proceedings of the National Academy of Sciences veröffentlicht.

"Wenn Sie heute einen Herzinfarkt haben, können Ärzte nichts tun, um den Schaden zu reparieren", sagte der Hauptautor Buddy Ratner, ein UW-Professor für Bioingenieurwesen. "Sie sind im Wesentlichen dazu verurteilt, bergab zu rutschen und eine kongestive Herzinsuffizienz zu entwickeln, die Ihre Lebensdauer stark verkürzt."

"Ihr Körper kann keine neuen Herzzellen bilden, aber was ist, wenn wir lebenswichtige neue Zellen in diesen geschädigten Teil des Herzens liefern können?"

Ratner und seine Kollegen bauten ein winziges röhrenförmiges poröses Gerüst, das die zerbrechlichen Herzzellen stützt und stabilisiert und in ein beschädigtes Herz injiziert werden kann, wo es das Zellwachstum fördert und sich schließlich auflöst. Das neue Gerüst unterstützt nicht nur das Wachstum des Herzmuskels, sondern beschleunigt möglicherweise auch die Fähigkeit des Körpers, das transplantierte Gewebe mit Sauerstoff und Nährstoffen zu versorgen.Die Idee ist schließlich, dass Ärzte das Gerüst entweder mit Stammzellen des Patienten oder eines Spenders besetzen und es dann implantieren würden, wenn der Patient wegen eines Herzinfarkts behandelt wird, bevor sich Narbengewebe gebildet hat.

Andere Herzgerüste oder Gewebepflaster, die derzeit entwickelt werden, kombinieren Herzmuskelzellen und zwei andere Arten von Zellen, die benötigt werden, um das Wachstum von Blutgefäßen und Bindegewebe anzukurbeln. Die Vorbereitung jedes Zelltyps ist ein enormer Arbeitsaufwand, daher wäre ein Gerüst, das nur einen Zelltyp benötigt, wie dieses, erheblich billiger und einfacher zu verwenden.

Ratners Gerüst ist ein flexibles Polymer mit miteinander verbundenen Poren, die alle dieselbe Größe haben. Dieser enthält auch Kanäle, um der Präferenz der Herzzellen Rechnung zu tragen, in langen Ketten miteinander zu verschmelzen. Die Forscher verifizierten zunächst das Design unter Verwendung von embryonalen Hühnerherzzellen und bestätigten, dass das Gerüst das Wachstum von Herzgewebe in Konzentrationen unterstützen kann, die denen in lebendem Herzgewebe ähneln.

Dann besiedelten sie das Gerüst mit Herzmuskelzellen, die aus menschlichen embryonalen Stammzellen gewonnen wurden. Diese Zellen überlebten und sammelten sich in den Kanälen. Innerhalb von fünf Tagen vermehrten sich die Herzmuskelzellen in der Scaffold-Umgebung schneller als andere Zelltypen und konnten bis zu 300 Mikrometer (etwa der Durchmesser von vier menschlichen Haaren) vom Scaffold-Rand entfernt überleben – ein wichtiger Punkt, wenn sich das Scaffold integrieren soll der Körper.

Die Zellen exprimierten zwei Proteine, die mit der Muskelkontraktion in Verbindung stehen, und konnten sich mit ausreichender Kraft zusammenziehen, um das Gerüst zu verformen.

Forscher implantierten auch ein nacktes Gerüst in das Herz einer lebenden Ratte, um die Biokompatibilität des Gerüsts zu überprüfen. Die Ergebnisse zeigten, dass das Herz nach vier Wochen den Fremdkörper akzeptiert hatte und neue Blutgefäße in das Gerüst eingedrungen waren.

Warum Blutgefäße so gut eindringen, ist unbekannt. Eine Hypothese betrifft den Makrophagen, eine Zelle des Immunsystems, und die Größe der Poren, die entscheidend zu sein scheint.Die Makrophagen greifen den Fremdkörper zunächst als Eindringling an und versuchen ihn zu verdauen. Sie dringen in die Poren ein und werden selbst eingeschlossen. An diesem Punkt scheint der Makrophage von seinem Angriffsmodus in seinen Heilungsmodus umzusch alten. Das Team untersucht nun die Bildung von Blutgefäßen.

Herzgewebe brauchen eine reichh altige Blutversorgung, und das war einer der limitierenden Faktoren für die Herzreparatur und das vaskuläre Tissue Engineering, sagte Co-Autor Chuck Murry, Professor für Pathologie und Bioengineering.

"Das erste, was transplantierte Herzzellen tun müssen, ist zu überleben. Und wenn man sie von einer Kulturschale in den Körper überführt, haben sie zunächst keine Blutversorgung. Also müssen wir das Wirtsblut fördern so schnell wie möglich liefern", sagte Murry.

"Wir sind sehr optimistisch, dass dieses Gerüst dazu beitragen wird, die Muskelzellen nach der Implantation am Leben zu erh alten und sie in funktionierende Herzmuskeln umzuwandeln", sagte Murry.

Das Gerüst besteht aus einem geleeartigen Hydrogelmaterial, das von der Erstautorin Lauran Madden, Doktorandin für Bioingenieurwesen an der UW, entwickelt wurde.Mit einer Nadel werden die winzigen (Drittelmillimeter breit und 4 Millimeter lang) Gerüststäbchen in den Herzmuskel implantiert. Aber das Gerüst kann das Wachstum größerer Klumpen von Herzgewebe unterstützen, sagte Madden.

Die nächsten Schritte beinh alten die Anpassung der Gerüstabbauzeit, so dass das Gerüst mit der gleichen Geschwindigkeit abgebaut wird, mit der sich Herzzellen vermehren und Blutgefäße und Stützfasern einwachsen, und dann ein mit Zellen beladenes Gerüst in ein geschädigtes Herz zu implantieren.

"Was wir jetzt haben, ist ein wirklich gutes System, das in die Schüssel geht, und wir arbeiten daran, es in den Körper zu überführen", sagte Madden.

Beat BioTherapeutics, ein Startup aus Seattle, das von Ratner, Murry und Co-Autor Michael Laflamme, einem UW-Assistenzprofessor für Pathologie, mitbegründet wurde, plant, die Technologie zu lizenzieren, um sie Patienten zugänglich zu machen.

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