Choroby serca – główna przyczyna zgonów w USA – są tak śmiertelne częściowo dlatego, że serce, w przeciwieństwie do innych narządów, nie potrafi samo naprawić się po urazie. Dlatego też inżynieria tkankowa, która docelowo obejmuje hurtowe wytwarzanie całego ludzkiego serca do przeszczepu, jest tak ważna dla przyszłości kardiologii.

Aby zbudować ludzkie serce od podstaw, naukowcy muszą odtworzyć unikalne struktury, z których składa się serce. Obejmuje to odtworzenie geometrii spiralnej, która powoduje ruch obrotowy podczas bicia serca. Od dawna uważa się, że ten ruch skręcający jest kluczowy dla pompowania krwi w dużych ilościach, ale udowodnienie tego było trudne, częściowo dlatego, że tworzenie serc o różnych geometriach i ułożeniach było wyzwaniem.

Obecnie bioinżynierowie z Harvard John A. Paulson School of Engineering and Applied Sciences (SEAS) opracowali pierwszy biohybrydowy model ludzkich komór z helikalnie ułożonymi bijącymi komórkami serca i wykazali, że ułożenie mięśni w rzeczywistości znacząco zwiększa ilość krwi, jaką komora może przepompować przy każdym skurczu.

Postęp ten był możliwy dzięki nowej metodzie addytywnego wytwarzania tkanin, Focused Rotary Jet Spinning (FRJS), która umożliwiła wysokowydajną produkcję spiralnie ułożonych włókien o średnicy od kilku mikrometrów do setek nanometrów. Opracowane w SEAS przez Kit Parker’s Disease Biophysics Group, włókna FRJS kierują ustawieniem komórek, pozwalając na tworzenie kontrolowanych struktur inżynierii tkankowej.

Badania zostały opublikowane w Science.

„Ta praca jest dużym krokiem naprzód w biofabrykacji organów i przybliża nas do naszego ostatecznego celu, jakim jest zbudowanie ludzkiego serca do przeszczepu” – powiedział Parker, Tarr Family Professor of Bioengineering and Applied Physics w SEAS i starszy autor pracy.

Praca ta ma swoje korzenie w wielowiekowej tajemnicy. W 1669 roku angielski lekarz Richard Lower – człowiek, który zaliczał Johna Locke’a do swoich kolegów i króla Karola II do swoich pacjentów – po raz pierwszy zauważył spiralne ułożenie mięśni serca w swoim przełomowym dziele Tractatus de Corde.

W ciągu następnych trzech stuleci lekarze i naukowcy zbudowali bardziej wszechstronne zrozumienie struktury serca, ale cel tych spiralnych mięśni pozostawał frustrująco trudny do zbadania.

W 1969 roku Edward Sallin, były kierownik Katedry Biomatematyki w Szkole Medycznej Uniwersytetu Alabama w Birmingham, dowodził, że spiralne ułożenie serca ma kluczowe znaczenie dla uzyskania dużej frakcji wyrzutowej – procentowej ilości krwi pompowanej przez komorę przy każdym skurczu.

„Naszym celem było zbudowanie modelu, w którym moglibyśmy przetestować hipotezę Sallina i zbadać względne znaczenie spiralnej struktury serca”, powiedział John Zimmerman, pracownik naukowy SEAS i pierwszy autor pracy.

Aby sprawdzić teorię Sallina, badacze z SEAS wykorzystali system FRJS do kontroli ułożenia włókien, na których mogli hodować komórki serca.

Pierwszy etap FRJS działa jak maszyna do robienia waty cukrowej – płynny roztwór polimeru jest ładowany do zbiornika i wypychany przez maleńki otwór dzięki sile odśrodkowej, gdy urządzenie się obraca. Gdy roztwór opuszcza zbiornik, rozpuszczalnik odparowuje, a polimery krzepną tworząc włókna. Następnie, skoncentrowany strumień powietrza kontroluje orientację włókien podczas ich osadzania na kolektorze. Zespół odkrył, że poprzez pochylanie i obracanie kolektora, włókna w strumieniu będą się ustawiać i skręcać wokół kolektora w trakcie jego obracania, naśladując spiralną strukturę mięśni serca.

Ułożenie włókien może być regulowane poprzez zmianę kąta kolektora.

„Ludzkie serce ma w rzeczywistości wiele warstw spiralnie ułożonych mięśni o różnych kątach ułożenia”, powiedział Huibin Chang, pracownik naukowy SEAS i pierwszy autor pracy. „Dzięki FRJS możemy odtworzyć te złożone struktury w naprawdę precyzyjny sposób, tworząc jedno-, a nawet czterokomorowe struktury komór”.

W przeciwieństwie do druku 3D, który staje się wolniejszy wraz ze zmniejszaniem się cech, FRJS może szybko prząść włókna w skali pojedynczych mikronów — lub około pięćdziesięciu razy mniejsze niż pojedynczy ludzki włos. Jest to ważne, jeśli chodzi o budowanie serca od podstaw. Weźmy na przykład kolagen, białko macierzy zewnątrzkomórkowej w sercu, którego średnica również wynosi jeden mikron. Wydrukowanie 3D każdego kawałka kolagenu w ludzkim sercu w tej rozdzielczości zajęłoby ponad 100 lat. FRJS może to zrobić w ciągu jednego dnia.

Po wirowaniu komory zostały zasiane komórkami kardiomiocytów szczura lub komórkami kardiomiocytów pochodzących z ludzkich komórek macierzystych. W ciągu około tygodnia kilka cienkich warstw bijącej tkanki pokryło rusztowanie, a komórki podążały za ułożeniem włókien pod nim.

Bijące komory naśladowały ten sam ruch skręcania lub wykręcania obecny w ludzkich sercach.

Naukowcy porównali deformację komór, szybkość sygnalizacji elektrycznej i frakcję wyrzutową pomiędzy komorami wykonanymi z włókien ułożonych spiralnie i tymi wykonanymi z włókien ułożonych obwodowo. Stwierdzili na każdym froncie, że tkanka wyrównana helikalnie przewyższała tkankę wyrównaną obwodowo.

„Od 2003 roku nasza grupa pracowała nad zrozumieniem relacji struktura-funkcja serca i tego, jak choroba patologicznie pogarsza te relacje” – powiedział Parker. „W tym przypadku cofnęliśmy się, aby zająć się nigdy nie sprawdzoną obserwacją dotyczącą spiralnej struktury laminarnej architektury serca. Na szczęście profesor Sallin opublikował teoretyczne przewidywania ponad pół wieku temu i byliśmy w stanie zbudować nową platformę produkcyjną, która umożliwiła nam przetestowanie jego hipotezy i zajęcie się tym wiekowym pytaniem.”

Zespół wykazał również, że proces może być skalowany do rozmiaru rzeczywistego ludzkiego serca, a nawet większego, do rozmiaru serca wieloryba Minke (nie zasiali większych modeli komórkami, ponieważ wymagałoby to miliardów komórek kardiomiocytów).

Oprócz biofabrykacji, zespół bada również inne zastosowania dla swojej platformy FRJS, takie jak pakowanie żywności.

Harwardzkie Biuro Rozwoju Technologii objęło ochroną własność intelektualną związaną z tym projektem i bada możliwości komercjalizacji.

Projekt był częściowo wspierany przez Harvard Materials Research Science and Engineering Center (DMR-1420570, DMR-2011754), National Institutes of Health z Center for Nanoscale Systems (S10OD023519) i National Center for Advancing Translational Sciences (UH3TR000522, 1-UG3-HL-141798-01).

Źródło: Harvard John A. Paulson School of Engineering and Applied Sciences. Leah Burrows