Forscher der Harvard University haben ein dreidimensionales Modell eines menschlichen linken Herzventrikels biotechnologisch entwickelt, das zur Untersuchung von Krankheiten, zum Testen von Medikamenten und zur Entwicklung patientenspezifischer Behandlungen für Herzerkrankungen wie Arrhythmie verwendet werden könnte.
Das Gewebe wird mit einem Nanofasergerüst hergestellt, das mit menschlichen Herzzellen besiedelt ist. Das Gerüst wirkt wie eine 3D-Schablone und führt die Zellen und ihre Anordnung in die in vitro schlagenden Ventrikelkammern. Dies ermöglicht es Forschern, die Herzfunktion mit vielen der gleichen Instrumente zu untersuchen, die in der Klinik verwendet werden, einschließlich Druck-Volumen-Schleifen und Ultraschall.
Die Forschung wurde in Nature Biomedical Engineering veröffentlicht.
"Unsere Gruppe hat mehr als zehn Jahre an dem Ziel gearbeitet, ein ganzes Herz zu bauen, und dies ist ein wichtiger Schritt in Richtung dieses Ziels", sagte Kit Parker, Professor für Bioingenieurwesen und angewandte Physik der Tarr-Familie an der Harvard University John A. Paulson School of Engineering and Applied Sciences und Hauptautor der Studie. "Die Anwendungen, von der regenerativen kardiovaskulären Medizin bis zu ihrer Verwendung als In-vitro-Modell für die Wirkstoffforschung, sind breit und vielfältig."
Parker ist außerdem Mitglied der Kernfakultät des Wyss Institute for Biologically Inspired Engineering in Harvard, des Harvard Stem Cell Institute und des Harvard Materials Research Science and Engineering Center.
Die Forschung war eine Zusammenarbeit zwischen SEAS, Wyss, dem Boston Children's Hospital und dem Harvard Stem Cell Institute (HSCI).
"Das langfristige Ziel dieses Projekts ist es, Tiermodelle durch menschliche Modelle und insbesondere patientenspezifische menschliche Modelle zu ersetzen oder zu ergänzen", sagte Luke MacQueen, Erstautor der Studie und Postdoktorand bei SEAS und Wyss. „In Zukunft könnten Stammzellen von Patienten gesammelt und verwendet werden, um Gewebemodelle zu bauen, die einige der Merkmale ihres gesamten Organs replizieren.“
"Eine aufregende Tür wird geöffnet, um mehr physiologische Modelle tatsächlicher Patientenkrankheiten zu erstellen", sagte William Pu, Direktor für grundlegende und translationale kardiovaskuläre Forschung am Boston Children's Hospital, Professor für Pädiatrie an der Harvard Medical School, Hauptfakultät Mitglied von HSCI und Co-Autor des Artikels. „Diese Modelle teilen nicht nur die Patientenmutationen, sondern den gesamten genetischen Hintergrund des Patienten.“
Der Schlüssel zum Aufbau eines funktionierenden Ventrikels liegt in der Wiederherstellung der einzigartigen Struktur des Gewebes. In nativen Herzen fungieren parallele Myokardfasern als Gerüst, das ziegelförmige Herzzellen anleitet, sich auszurichten und Ende an Ende zusammenzubauen, wodurch eine hohle, kegelförmige Struktur entsteht. Wenn das Herz schlägt, dehnen und ziehen sich die Zellen wie ein Akkordeon zusammen.
Um dieses Gerüst nachzubilden, verwendeten die Forscher eine Nanofaser-Produktionsplattform, die als Pull Spinning bekannt ist und in der Parker's Disease Biophysics Group entwickelt wurde. Pull Spinning verwendet eine mit hoher Geschwindigkeit rotierende Borste, die in ein Polymerreservoir eintaucht und ein Tröpfchen aus der Lösung in einen Strahl zieht. Die Faser bewegt sich in einer spiralförmigen Bahn und verfestigt sich, bevor sie sich von der Borste löst und sich zu einem Kollektor bewegt.
Um den Ventrikel herzustellen, verwendeten die Forscher eine Kombination aus biologisch abbaubarem Polyester und Gelatinefasern, die auf einem rotierenden Kollektor in Form einer Kugel gesammelt wurden. Da sich der Kollektor dreht, richten sich alle Fasern in die gleiche Richtung aus.
"Es ist wichtig, die Struktur des natürlichen Muskels zu rekapitulieren, um Ventrikel zu erh alten, die wie ihre natürlichen Gegenstücke funktionieren", sagte MacQueen. „Wenn die Fasern ausgerichtet sind, werden die Zellen ausgerichtet, was bedeutet, dass sie so leiten und sich zusammenziehen wie native Zellen."
Nach dem Bau des Gerüsts kultivierten die Forscher den Ventrikel entweder mit Rattenmyozyten oder menschlichen Kardiomyozyten aus induzierten Stammzellen. Innerhalb von drei bis fünf Tagen bedeckte eine dünne Gewebewand das Gerüst und die Zellen schlugen synchron. Von dort aus konnten die Forscher die Kalziumausbreitung kontrollieren und überwachen und einen Katheter einführen, um den Druck und das Volumen des schlagenden Ventrikels zu untersuchen.
Die Forscher setzten das Gewebe Isoproterenol aus, einem adrenalinähnlichen Medikament, und maßen, wie die Schlagfrequenz zunahm, genau wie bei Menschen- und Rattenherzen. Die Forscher bohrten auch Löcher in die Herzkammer, um einen Myokardinfarkt nachzuahmen, und untersuchten die Auswirkungen des daraus resultierenden Herzinfarkts in einer Petrischale.
Um den Ventrikel über lange Zeiträume besser untersuchen zu können, bauten die Forscher einen in sich geschlossenen Bioreaktor mit separaten Kammern für optionale Ventileinsätze, zusätzliche Zugangsöffnungen für Katheter und optionale ventrikuläre Unterstützungsfunktionen.
Unter Verwendung menschlicher Kardiomyozyten aus induzierten Stammzellen konnten die Forscher die Ventrikel 6 Monate lang kultivieren und stabile Druck-Volumen-Schleifen messen. „Die Tatsache, dass wir diesen Ventrikel über lange Zeiträume untersuchen können, ist wirklich eine gute Nachricht für die Untersuchung des Fortschreitens von Krankheiten bei Patienten sowie für medikamentöse Therapien, die eine Weile brauchen, um zu wirken“, sagte MacQueen.
Als nächstes zielen die Forscher darauf ab, von Patienten stammende, vordifferenzierte Stammzellen zu verwenden, um die Ventrikel auszusäen, was eine Produktion des Gewebes mit höherem Durchsatz ermöglichen würde.
"Wir begannen damit, zu lernen, wie man Herzmyozyten baut, dann Herzgewebe, dann Muskelpumpen in Form von Nachahmungen von Meeresorganismen und jetzt einen Ventrikel", sagte Parker. „Unterwegs haben wir einige der grundlegenden Designgesetze von Muskelpumpen aufgeklärt und Ideen entwickelt, wie das Herz repariert werden kann, wenn diese Gesetze durch eine Krankheit verletzt werden. Wir haben noch einen langen Weg vor uns, um ein Herz mit vier Kammern zu bauen, aber unsere Fortschritte wird beschleunigt."
