Каждые 40 секунд у кого-то случается сердечный приступ. Каждый раз задыхается до миллиарда клеток сердечной мышцы. Эти потерянные клетки никогда не перерастают, оставляя почти 800 000 человек в год ослабленными на всю жизнь—если они вообще выживут. Ненад Бурсак считает, что он может исправить некоторых из этих людей, в буквальном смысле.
За последние 20 лет биоинженер из Университета Дьюка в Дареме, Северная Каролина, разработал "пластырь", который мог бы занять место клеток, разрушенных сердечным приступом. У грызунов он обнаружил, что он может подключаться к кровеносной системе и сокращаться. Патч бурсака теперь размером с покерный чип и толщиной картона—достаточно большой и сложный, чтобы его можно было протестировать на крупных животных, заявил он в этом месяце на встрече Experimental Biology 2019 в Орландо, штат Флорида.
Как и другие, пытающиеся восстановить поврежденные сердца, Bursac начинается со стволовых клеток, которые могут развиваться в специализированные ткани, такие как сердечная мышца. Но в то время как некоторые исследователи вводят сотни миллионов отдельных клеток сердечной мышцы в тело, команда Бурсака и несколько других групп выращивают полноценные кусочки сердечной мышцы в чашке, которую хирурги могут прикрепить к поврежденному сердцу. "Это может стать преобразовательным подходом", - говорит Ральф Маркучио, биолог-эволюционист из Калифорнийского университета в Сан-Франциско, Школа медицины. Исследовательские усилия бурсака "являются лучшими в этой области", добавляет Мартин Даннуолд клеточный биолог из Университета Айовы в Айова-Сити.В какой-то момент кардиологи думали, что у сердца есть тайник стволовых клеток, которые могут быть стимулированы, чтобы восстановить орган естественным образом, но теперь большинство биологов согласны с тем, что такие клетки не существуют в сердце. Альтернативой в ранних клинических испытаниях является создание клеток сердечной мышцы в лабораторной чашке из других стволовых клеток, введение их в артерию, питающую сердце, и надежда, что они осядут в органе и компенсируют любую мертвую ткань.
Бурсак скептически относится к такому подходу, потому что процент клеток, которые выдерживают инъекцию и попадают в сердце, очень мал. Его подход требует операции на открытом сердце, но он обеспечивает ремонт, который более точно соответствует типам клеток и архитектуре реального органа. "То, что люди сейчас видят, - это то, что вам нужно больше структуры и больше клеток", - говорит Джеффри Якот, биоинженер в Университете Колорадо Anschutz Medical Campus в Авроре.
Бурсак начал работать над сердечными пластырями в качестве аспиранта, уговаривая неонатальные клетки крысы трансформироваться в сердечную мышцу в тарелке и контракте—первый для млекопитающих. Другие исследователи разработали крошечные образцы тканей сердца для тестирования лекарств в лабораторных чашках. Но Бурсак хочет исправить сердца напрямую. За эти годы его команда узнала, что лучшие каркасы для культивирования стволовых клеток сделаны из фибрина, белка, который помогает формировать сгустки крови, и лучший способ лелеять эти каркасные клетки-мягко раскачивать их внутри подвесной рамы, которая позволяет растущему патчу шуршать взад и вперед в жидких средах. "Эти клетки созревают и сильно сокращаются", - говорит Бурсак.
В 2016 году, когда его лаборатория выяснила, как производить эти мощные сокращения, сердечные пластыри были крошечными. Затем, 2 года назад, команда вырастила пластырь размером 4 на 4 сантиметра-потенциально достаточно большой, чтобы восстановить поврежденное человеческое сердце.
"Размер волнует", - говорит Кристофер Чен, биоинженер из Бостонского университета. Это " предполагает, что вы можете получить масштаб, который клинически релевантен."
Команда бурсака также показала на грызунах, что кровеносные сосуды из сердца могут расширяться в патч, чтобы сохранить его живым. Бурсак в последнее время вплетается в более сложные, добавляя популяции эндотелиальных клеток, которые развиваются в кровеносные сосуды, и клетки фибробластов, которые, как он понял, могут помочь пластыря форме и стать сильнее. Заплата составленная 70% клеток сердечной мышцы, с другими 2 видами клеток составляя остальные, кажется наиболее наилучшим образцом до сих пор, он сообщил на встрече.
Когда пластырь имплантируется крысам и мышам, его капиллярная сеть подключается к кровеносной системе грызуна, сообщил он. "Но мы все еще не знаем, может ли это обеспечить преимущество выживания для патча."
Также не ясно, как—или даже будет ли-патч будет электрически и механически интегрирован с оригинальным сердцем, чтобы они функционировали как истинная единица. Поскольку пластырь будет пришит снаружи поврежденного сердца, поверх рубцовой ткани, "трудно заставить [его] биться согласованно с существующей мышцей", - указывает Кэтрин Ютзи, кардиолог детской больницы Цинциннати в Огайо.
Ответы могут прийти от испытаний этих заплат человеческого сердца в свиньях или других больших животных, которые Bursac дирижирует с bioengineer Jiany Zhang на Университете Алабамы в Бирмингеме. Но Мишель Талквист, сердечно-сосудистый биолог из Гавайского университета Джон А. Бернс Школы медицины в Гонолулу, беспокоится, что производство пластыря для кого—то, кто только что перенес сердечный приступ может занять слишком много времени-целых 6 месяцев, если собственные клетки пациента были использованы в качестве отправной точки.
Бурсак считает, что ответ может заключаться в разработке банка иммунологически подобранных стволовых клеток, которые могут быть уговорены по мере необходимости в патч сердца всего за 3 недели. Для него приз очевиден. Патч может "заменить мертвые клетки сердца на клетки, которые живы, бьются и сокращаются", объясняет он. "Теперь вы видите, что это потенциально может пойти на терапию."