Den här historien om konstgjorda hjärtan är en del av en utökad serie om regenerativ medicin. För andra berättelser om detta ämne, se williamhaseltine.com och sök efter regenerativ medicin. Min definition av regenerativ medicin är alla medicinska metoder som återställer oss till normal hälsa när vi är skadade av sjukdom, skadade av trauma, missgynnade av födseln eller slitna av tiden. Modaliteter inkluderar: kemikalier, gener, proteiner och celler som används som läkemedel, genredigering, proteser och gränssnitt mellan sinne och maskin.
Hjärtsjukdom drabbar ca 82,6 miljoner människor i USA och är en ledande dödsorsak bland både män och kvinnor. En lösning för dem som lider av avancerad hjärtsvikt är hjärttransplantation. Tyvärr finns det för närvarande en rikstäckande brist på mänskliga donatorhjärtan. Forskare har försökt skapa konstgjorda hjärtan eller använda grisorgan i stället för mänskliga hjärtan för transplantationsoperationer. Men nuvarande metoder för att producera konstgjorda hjärtan är i allmänhet misslyckade och användningen av grisorgan för transplantationer kan leda till allvarliga infektioner.
Nu tar en grupp vid Harvard University upp denna fråga genom en ny, innovativ metod för att odla konstgjorda hjärtan. Genom att bygga en konstgjord struktur och implantera hjärtceller kunde forskarna odla hjärtcellerna i ett mönster som efterliknade den naturliga organisationen av musklerna i hjärtat. Den här studien fungerar som en viktig språngbräda mot att utveckla konstgjorda hjärtan som är fullt fungerande.
Hjärtat är till stor del gjord av muskler anordnade på ett spiralformigt sätt. När hjärtat drar ihop sig, engagerar dess spiralformade muskler i en vridande rörelse för att trycka ut blod ur hjärtat. Faktum är att denna spiralformade mönster förutspås vara en avgörande egenskap hos friska, fungerande hjärtan. Många individer som lider av hjärtdysfunktion uppvisar också onormalt muskelmönster.
Tidigare har flera studier försökt odla konstgjorda hjärtan med spiralformade mönster genom att använda 3D-skrivare. Dessa studier har till stor del varit misslyckade eftersom 3D-skrivare inte kan uppnå de små detaljerna i hjärtats struktur inom en rimlig tid. En 3D-skrivare kan till exempel ta hundratals år att skriva ut ens en liten del av hjärtats strukturer med tillräckligt med detaljer för att cellerna ska växa i rätt mönster.
Så, hur uppnådde forskare vid Harvard University denna bedrift?
Chang et al vet att en enkel 3D-skrivare har betydande begränsningar. vände sig mot en annan teknik: fiberspinning. Fiberspinning är en metod som använder liknande material som 3D-skrivare men som kan producera mycket finare, högupplösta strukturer.
Traditionellt värms material upp och extruderas från ett litet hål för att skapa singulära fibrer i mikroskopisk skala. Fibrerna kan sedan samlas in eller bearbetas för att bilda 3D-strukturer.
Fiberspinning kan skapa strukturer med mycket hög upplösning. Men traditionella metoder för fiberspinning är ofta oprecisa och skulle inte kunna bilda hjärtats konsekventa spiralformade mönster. Detta fick Chang et al. att konstruera en ny metod för fiberspinning som inte bara skulle tillåta dem att skapa hjärtats 3D-struktur i mikroskopisk skala utan också vara tillräckligt exakt för att bilda hjärtats spiralformade mönster.
Chang et al. skapat en ny fiberspinningsenhet med två stora designfunktioner. För det första, istället för att helt enkelt extrudera materialet på måfå i en riktning, innehåller fiberspinningsanordningen en ”spinndysa” som snurrar i höga hastigheter. När det uppvärmda materialet trycks in i anordningen strängsprutas fibrerna sedan genom ett litet hål i sidan av spinndysan. Detta gör att fibrerna samlas i ett moln runt enheten.
Chang et al.s andra innovation var att inkludera en stark luftström på toppen av spinndysan som kunde rikta in fibrerna så att de liknade muskelstrimmorna. Från detta, Chang et al. kunde samla fibrerna i en vinkel, vilket i slutändan skapar de spiralformade mönstren av hjärtmuskeln.
Genom att använda denna metod, Chang et al. kunde skapa 3D-ramar som liknade mänskliga hjärtkamrar. När ramarna såddes med mänskliga hjärtceller bibehöll de resulterande vävnaderna ramens spiralformade mönster.
Överraskande nog, efter 3 till 5 dagar av växande hjärtceller på 3D-ramarna, Chang et al. observerade spontana sammandragningar som liknade det mänskliga hjärtats naturliga aktivitet. Detta indikerade att Chang et al.s modellventriklar kunde användas för att studera hur muskelmönster påverkar hjärtfunktionen.
För att undersöka denna fråga, Chang et al. skapade modellventriklar med spiralformade celler såväl som kammare med onormala, periferiellt inriktade celler.
Forskarna suspenderade sedan båda modellkamrarna i en vätska som innehöll fluorescerande pärlor. Genom att spåra förskjutningen av pärlorna, Chang et al. kunde avgöra hur många som pumpades genom ventriklarna åt gången. Denna strategi gjorde det möjligt för forskarna att beräkna den totala volymen vätska som modellkamrarna kunde pumpa.
Efter att ha testat både den spiralformade ventrikeln och den onormalt mönstrade ventrikeln, Chang et al. fann att den spiralformade ventrikeln kunde pumpa betydligt större vätskevolymer. Detta visade att onormal inriktning av hjärtceller faktiskt minskar hjärtats förmåga att fungera.
Slutligen var inte bara Chang et al. kunna skapa modellhjärtkamrar som kunde dra ihop sig, men genom att använda sin innovativa fiberspinningsmetod kunde forskarna återskapa hjärtats alla fyra kammare. Dessa individuella kammare sattes sedan ihop för att slutligen skapa en modell i full storlek av det mänskliga hjärtat.
Sammantaget representerar denna studie betydande framsteg i vår förmåga att skapa ett fullt fungerande konstgjort hjärta. Medan mer arbete måste göras för att expandera funktionella modellkamrar till fullskaliga hjärtmodeller, visar denna studie verkligt löfte om användningen av innovativa fiberspinningstekniker för komplex bildning av hela organ.