Reconstruirea inimilor deteriorate pentru știință
Repararea unei leziuni cauzate de un infarct miocardic este o miză majoră în medicină. Astăzi, specialiștii în ingineria țesuturilor cardiace sunt capabili să prevină degradarea inimii după un atac de cord la șobolani.
Datorită progreselor în medicină, un număr din ce în ce mai mare de oameni supraviețuiesc unui atac de cord, dar o treime dintre aceștia ajung să sufere de insuficiență cardiacă, care în cele din urmă necesită transplant, o soluție complexă, costisitoare și limitată. Speranța de viață a persoanelor care nu primesc un transplant scade treptat și mai puțin de 40% dintre aceștia sunt încă în viață la cinci ani de la primul atac.
Dacă medicii ar putea remedia un atac de cord sau pur și simplu împiedica răspândirea acestuia, milioane de vieți s-ar schimba. Acesta este motivul pentru care fabricarea fragmentelor de țesut viu al inimii umane a devenit unul dintre obiectivele principale ale ingineriei țesuturilor. Este, de asemenea, unul dintre cele mai ambițioase. Fibrele dintr-un mușchi al inimii se organizează pentru a forma conexiuni fizice și nervoase care poartă semnale electrice și permit fibrelor să sincronizeze contracțiile. Pielea și cartilajul sunt mai puțin complexe de crescut în laborator, deoarece nu sunt vascularizate. Pentru mușchiul inimii, principala dificultate este de a furniza o bucată de țesut tridimensională.
Desigur, în urmă cu cincisprezece ani, perspectiva „a face” țesuturi vii în afara corpului era ca și science fiction. Cu toate acestea, biologii și inginerii de materiale au făcut progrese notabile; de exemplu, am dezvoltat un suport care promovează creșterea celulelor cardiace și a vaselor de sânge în zona moartă a unui atac de cord.
În căutarea suportului ideal
Un infarct miocardic - un atac de cord - apare de obicei atunci când un vas de sânge major care alimentează ventriculul stâng al inimii este blocat de un cheag. O parte a mușchiului inimii, miocardul, este lipsit de sânge și, prin urmare, de oxigen, care distruge celulele (cardiomiocitele) din această zonă. Mărimea infarctului depinde de mărimea zonei furnizate de vasul de sânge înainte ca acesta să fie blocat.
Deoarece miocitele se împart slab, celulele supraviețuitoare nu pot repopula zona deteriorată. Celulele stem locale, care acționează ca progenitori ai celulelor noi din alte țesuturi, sunt ineficiente în inimă și nu pot repara daunele. Dimpotriva,
celulele fibroase necontractile înlocuiesc treptat miocitele moarte. Miocitele sănătoase din jurul infarctului pot, de asemenea, să moară, crescând întinderea infarctului. În timpul acestui proces, cunoscut sub numele de remodelare, peretele ventriculului din zona infarctului se subțiază și uneori chiar se rupe.
În ultimii ani, biologii au încercat să repornească creșterea țesutului cardiac într-o zonă de infarct, transplantând celule stem din alte țesuturi, cum ar fi măduva osoasă sau mușchi, cu speranța că aceste celule se adaptează la mediul lor și produc cardiomiocite noi sau stimulează capacitatea naturală de regenerare a inimii. Din păcate, rezultatele au fost dezamăgitoare: foarte puține celule stem au supraviețuit după transplant și cele care de obicei s-au adunat la marginile infarctului, dar fără a intra în contact cu țesutul sănătos adiacent sau a le conduce.
Aceste celule implantate nu sunt funcționale în zona rănită, deoarece structura naturală care susține celulele vii a dispărut. În țesutul sănătos, matricea extracelulară, formată din proteine structurale, cum ar fi colagenul și molecule complexe de zahăr, polizaharide, produce factori de creștere și oferă suport fizic pentru celule.
În căutarea suportului ideal
Biologii au căutat apoi un mediu ideal pentru creșterea țesutului viu, permițând celulelor să se divizeze și să se organizeze în țesut tridimensional. Aceste celule ar fi început apoi să secrete propria lor matrice extracelulară, cadrul s-ar fi dizolvat, lăsând în urmă doar țesut sănătos. În plus, cadrul ar stimula vascularizația noului țesut, vasele de sânge aducând oxigen în celule și evacuând deșeurile acestora.
La sfârșitul anilor 1980, unul dintre noi (Smadar Cohen) a lucrat cu Robert Langer, un pionier în ingineria țesuturilor, la Institutul de Tehnologie din Massachusetts. În acel moment, ideea de a face țesut viu era încă un vis. În 20 de ani, multe materiale (sintetice și naturale) au fost studiate pentru a promova creșterea celulelor în țesut funcțional.
Poliesterii degradabili se numără printre cele mai utilizate materiale sintetice, dar au mai multe dezavantaje. Sunt hidrofobe, deci celulele vii aderă slab la ele, iar cadrele realizate cu acești polimeri tind să se dezintegreze mai degrabă decât să se degradeze într-un ritm constant. Subprodusele acide ale degradării lor declanșează inflamația țesutului local și amenință supraviețuirea celulelor transplantate. Noile hidrogeluri sintetice nu prezintă aceste dezavantaje, iar textura lor seamănă cu cea a unei matrice extracelulare naturale, dar le lipsește proteinele unei matrice extracelulare naturale, de exemplu colagen, care sunt esențiale pentru buna funcționare a celulelor.
Colagenul însuși, precum și alte proteine ale matricei extracelulare, cum ar fi fibronectina, au fost, de asemenea, testate ca purtător. Deși aceste proteine conțin aminoacizi la care celulele vii aderă, nu au o rezistență mecanică suficientă pentru a susține un număr mare de celule și, în plus, colagenul este consumat rapid de enzimele din organism. În plus, unele proteine pot fi respinse de sistemul imunitar, ceea ce ar crește doar riscurile pentru pacient.
Prin urmare, am decis să realizăm un cadru realizat cu un alginat, o polizaharidă derivată din alge. Este biocompatibil, adică nu este respins de sistemul imunitar. Și, atunci când anumite alginate sunt dizolvate în apă și apoi expuse la ioni de calciu încărcați pozitiv, se comportă ca un hidrogel care conține 98% apă: consistența lor este gelatinoasă și au proprietăți elastice similare cu cele ale unei matrice extracelulare naturale.