A sérült szívek újjáépítése a tudomány számára
A szívinfarktus miatti elváltozás kijavítása az orvostudomány egyik fő tétje. Ma a szívszövet-mérnökök képesek megakadályozni a szívromlást patkányok szívrohama után.
Az orvostudomány fejlődésének köszönhetően egyre több ember éli túl a szívrohamot, de egyharmaduk végül szívelégtelenségben szenved, amely végül transzplantációt igényel, amely komplex, drága és korlátozott megoldás. Azok a személyek várható élettartama, akik nem részesülnek transzplantációban, fokozatosan csökken, és kevesebb mint 40 százalékuk még mindig él öt évvel az első támadás után.
Ha az orvosok kijavíthatnák a szívrohamot, vagy egyszerűen megakadályoznák annak terjedését, életek milliói változnának meg. Éppen ezért az élő emberi szívszövet töredékeinek előállítása a szöveti technika egyik fő céljává vált. Ez az egyik legambiciózusabb is. A szívizom rostjai olyan fizikai és idegkapcsolatok kialakítására szervezkednek, amelyek elektromos jeleket hordoznak, és lehetővé teszik a szálak számára az összehúzódások szinkronizálását. A bőr és a porcok kevésbé összetettek a laboratóriumban, mert nem vaszkularizáltak. A szívizom számára a fő nehézség egy háromdimenziós szövetdarab ellátása.
Természetesen tizenöt évvel ezelőtt a kilátás az élő szövet testen kívüli "készítésére" olyan volt, mint a tudományos-fantasztikus. A biológusok és az anyagmérnökök mégis jelentős előrelépéseket tettek; például kifejlesztettünk egy támogatást, amely elősegíti a szívsejtek és az erek növekedését a szívroham holt zónájában.
Az ideális támogatás keresésére
A miokardiális infarktus - szívroham - általában akkor fordul elő, amikor a szív bal kamráját ellátó fő eret egy alvadék elzárja. A szívizom egy részéből, a szívizomból hiányzik a vér és ezért az oxigén, amely elpusztítja a sejteket (kardiomiocitákat) ezen a területen. Az infarktus nagysága függ az ér által biztosított terület nagyságától, mielőtt elzáródna.
Mivel a miociták rosszul osztódnak, a túlélő sejtek nem tudják újratelepíteni a sérült területet. A helyi őssejtek, amelyek más szövetek új sejtjeinek progenitoraként működnek, hatástalanok a szívben, és nem képesek kijavítani a kárt. Ellenkezőleg,
a nem kontraktilis rostos sejtek fokozatosan pótolják az elhalt myocytákat. Az infarktust határoló egészséges myocyták is elpusztulhatnak, növelve az infarktus mértékét. Ennek az átalakításnak nevezett folyamat során a kamra fala az infarktus területén elvékonyodik, sőt néha megreped.
Az elmúlt években a biológusok megkísérelték újraindítani a szívszövet növekedését egy infarktus területén az őssejtek átültetésével más szövetekből, például csontvelőből vagy izomból, abban a reményben, hogy ezek a sejtek alkalmazkodnak a környezetükhöz és termelnek új kardiomiociták, vagy stimulálják a szív természetes regenerációs képességét. Sajnos az eredmények kiábrándítóak voltak: nagyon kevés őssejt maradt életben a transzplantáció után, és azok, amelyek általában az infarktus szélein gyűltek össze, de anélkül, hogy kapcsolatba léptek volna a szomszédos egészséges szövetekkel vagy azokat elvezetnék. Elektromos jelek, amelyek lehetővé teszik a szívsejtek számára, hogy szinkronizálják összehúzódásaikat.
Ezek a beültetett sejtek nem működnek a sérült területen, mert az élő sejteket támogató természetes szerkezet eltűnt. Az egészséges szövetekben az extracelluláris mátrix, amely strukturális fehérjékből, például kollagénből és komplex cukormolekulákból, poliszacharidokból áll, növekedési faktorokat termel és fizikai támogatást nyújt a sejteknek.
Az ideális támogatás keresésére
Ezután a biológusok ideális táptalajt kerestek az élő szövet növekedéséhez, lehetővé téve a sejtek számára, hogy háromdimenziós szövetekké oszlassanak és szerveződjenek. Ezek a sejtek ekkor elkezdték kiválasztani a saját extracelluláris mátrixukat, a keret feloldódott, és csak egészséges szöveteket hagyott maga után. Sőt, a keret serkentené az új szövet vaszkularizációját, az erek oxigént juttatnának a sejtekbe, és kiürítenék hulladékukat.
Az 1980-as évek végén egyikünk (Smadar Cohen) Robert Langer-rel, a szövettechnika úttörőjével dolgoztunk együtt a Massachusettsi Műszaki Intézetben. Abban az időben az élő szövet készítésének gondolata még álom volt. 20 év alatt számos anyagot (szintetikus és természetes) tanulmányoztak a sejtek funkcionális szövetekké történő növekedésének elősegítésére.
A lebomló poliészterek a legszélesebb körben használt szintetikus anyagok közé tartoznak, de számos hátrányuk van. Hidrofóbok, így az élő sejtek rosszul tapadnak hozzájuk, és az ezekkel a polimerekkel készített keretek inkább szétesnek, mintsem szabályos sebességgel bomlanak le. Degradációjuk savas melléktermékei helyi szövetgyulladást váltanak ki, és veszélyeztetik az átültetett sejtek túlélését. Az új szintetikus hidrogéleknek nincsenek ezek a hátrányai, és textúrájuk hasonlít egy természetes extracelluláris mátrixéhoz, de hiányzik belőlük a természetes extracelluláris mátrix fehérje, például kollagén, amelyek nélkülözhetetlenek a sejtek megfelelő működéséhez.
Magát a kollagént, valamint más extracelluláris mátrixfehérjéket, például a fibronektint, szintén vivőanyagként tesztelték. Bár ezek a fehérjék olyan aminosavakat tartalmaznak, amelyekhez az élő sejtek ragaszkodnak, nincs elegendő mechanikai szilárdságuk ahhoz, hogy nagyszámú sejtet támogassanak, sőt, a kollagént az enzimek gyorsan elfogyasztják a szervezetben. Ezenkívül egyes fehérjéket az immunrendszer elutasíthat, ami csak növelné a beteg kockázatát.
Ezért úgy döntöttünk, hogy elkészítünk egy alginátból, algákból származó poliszacharidból álló keretet. Biokompatibilis, vagyis az immunrendszer nem utasítja el. Amikor bizonyos alginátokat vízben oldunk, majd pozitív töltésű kalciumionoknak teszünk ki, akkor 98% vizet tartalmazó hidrogélként viselkednek: konzisztenciájuk kocsonyás, és rugalmas tulajdonságaik hasonlóak a természetes extracelluláris mátrixéhoz.