跳动的心脏补丁修复人类的心脏

杜克大学生物医学工程师创造了一个完全功能的人工心脏肌肉足够大的补丁在损害通常出现在病人心脏病发作。进步需要修复的主要一步最终目标死在人类患者心脏肌肉。

“现在,几乎所有现有的疗法旨在减少损害的症状已经做的心,但没有方法能够取代失去的肌肉,因为一旦它死了,它不会自己长出来的,“说髂骨Shadrin,杜克大学生物医学工程博士生,这项研究的第一作者。“这是一个我们可以取代失去的肌肉与身体外的组织。”

不像一些人体器官,心脏不能再生自己心脏病发作后。死者肌肉常疤痕组织所取代,不再能传输电信号或合同,这两个是必要的光滑和有力的心跳。

最终的结果是一种疾病通常称为心力衰竭,影响了全世界超过1200万名患者。正在开发的新疗法,如一个Shadrin和他的顾问Nenad Bursac,杜克大学生物医学工程教授,需要防止心力衰竭,其致命的并发症。

目前临床试验正在测试的策略注入干细胞来源于骨髓、血液或心脏本身直接影响网站为了补充一些受损的肌肉。虽然是有一些积极作用从这些治疗,他们的机制尚未完全了解。少于百分之一的注射细胞存活,留在心里,成为心肌细胞的就更少了。

心脏补丁,另一方面,可能被移植在死肌肉,保持活跃了很长一段时间,提供更多的收缩强度和平滑路径穿过心脏电信号。这些补丁还会分泌酶和生长因子,可以帮助恢复受损组织还没有死。

这个方法起作用,然而,心脏补丁必须大到足以覆盖受影响的组织。它还必须一样强大和电活性本机心脏组织,否则这种差异可能导致致命的心律失常。

这是第一次人类心脏补丁,同时满足两个条件。“创建单个心肌细胞很普遍,但是人们一直关注不断增长的药物开发小型组织,“Bursac说。“扩展到这个尺寸是从来没有做过,这需要大量的工程创新。”

细胞对心脏补丁是人类多能干细胞——从细胞,可以分化成任何种类的细胞在体内。Bursac和Shadrin已经成功地使补丁使用许多不同的人类干细胞,包括那些来自胚胎和那些人为的强制或“诱导”到多能性状态。

各种类型的心脏细胞可以从这些干细胞:心肌细胞,细胞负责肌肉收缩;成纤维细胞,心脏组织细胞提供结构框架;内皮细胞和平滑肌细胞,细胞形成血管。研究人员将这些细胞在特定的比率成胶状的物质,他们自组织和成长为功能组织。

找到合适的细胞结合,支持结构,生长因子,营养物质和文化条件生长大,功能齐全的补丁的人类心脏组织了团队多年的工作。每个容器大小和程序必须从头设计。和关键,整合在一起有点摇摆,摇摆。

“事实证明,摇摆的样品洗澡和飞溅改善营养交付是非常重要的,”Shadrin说。“我们获得的三到五倍的结果与摇摆文化相比,我们的静态样本。”

结果改进了研究者的先前的补丁,一个平方厘米和4平方厘米。他们成功地扩大到16平方厘米和5 - 8细胞厚。补丁的测试表明,心肌功能齐全,电气,机械和结构属性,像一个正常的,健康的成年人的心。

“这是极其困难的,因为种植组织越大,就越难保持在相同的属性,“Bursac说。“同样的挑战,一直在组织成熟的成人力量快时间尺度的五个星期而实现正常人类发展的属性,通常需要数年时间。”

Bursac和Shadrin已经表明,这些心脏补丁生存,成为血管浸润和维护其功能当植入到老鼠和老鼠的心脏。心脏补丁能取代死在人类患者心肌的工作,然而,它需要比组织生长在这个研究厚得多。厚和补丁种植,他们需要血管浸润,细胞内部可以获得足够的氧气和营养。即便如此,研究人员必须找出如何充分整合心脏补丁与现有的肌肉。

“全面整合是非常重要的,不仅是改善心脏的机械,但确保脑电波的顺利传播和减少心律失常的风险,”Shadrin说。

“我们正在积极努力,别人,但是现在,我们很高兴发现规模很重要的部分,“Bursac补充道。

研究是一个七年的一部分,从美国国立卫生研究院的860万美元的赠款。与大心脏补丁,Bursac团队合作与伯明翰阿拉巴马大学的研究人员开发程序成功地集成补丁到猪的心。另一个附属大学麦迪逊分校的研究小组正致力于开发改进的干细胞用于创建的主要细胞类型组成这些心脏补丁的希望减少免疫反应的交付工程组织。

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参考:

Shadrin,即Y。艾伦,b . W。钱,Y。杰克曼,c·P。卡尔森,a . L。胡,m E。& Bursac n (2017)。Cardiopatch平台使成熟和扩大人类多能干细胞工程的心脏组织。自然通讯,8 (1)。doi: 10.1038 / s41467 - 017 - 01946 - x