Biyomühendisler, laboratuvarda aylarca hayatta kalan, kalp atışı yapan bir kalp ventrikülü modelini oluşturuyorlar.
Bir sol kalp ventrikülünün bu üç boyutlu modeli, kalp hücreleri ile donatılmış nanofiber bir iskele ile tasarlandı. Hastalıklar üzerinde çalışmak, ilaçları test etmek ve çeşitli kalp rahatsızlıkları için hastaya özel tedaviler geliştirmek için kullanılabilir. (Luke MacQueen ve Michael Rosnach / Harvard Üniversitesi)
Neonatal sıçan ventrikül miyosit dokusundan yapılan bu doku mühendisliği ventrikülü kendiliğinden kontraktür, dikilir ve bir kateterle birleştirilir. (Luke MacQueen / Hastalık Biyofizik Grubu / Harvard SEAS)
Harvard Üniversitesi araştırmacıları, hastalıkları incelemek, ilaçları test etmek ve aritmi gibi kalp rahatsızlıkları için hastaya özel tedaviler geliştirmek için kullanılabilecek bir insan sol kalp ventrikülünün üç boyutlu bir modelini biyomühendislik teknikleri kullanarak yaptı.
Doku insan kalp hücreleri ile donatılmış nanofiber bir iskele ile tasarlanmıştır. İskele, 3 boyutlu bir şablon gibi davranır, hücreleri ve onların montajını in vitro dökülen ventrikül odalarına yönlendirir. Bu, araştırmacıların, kliniğimizde kullanılan basınç-hacim döngüleri ve ultrason da dahil olmak üzere, aynı araçların birçoğunu kullanarak kalp fonksiyonu üzerinde çalışmasına olanak sağlar.
Araştırma, Nature Biomedical Engineering’de yayınlanmıştır.
Kit Parker, “Grubumuz bir on yıl harcadı ve bütün bir kalbi inşa etme hedefine yönelik çalıştı ve bu hedefe doğru önemli bir adım” dedi.
“Rejeneratif kardiyovasküler ilaç keşfi için in vitro bir model olarak kullanılmasına kadar olan uygulamalar için geniş ve çeşitlidir.”
Bu çalışmanın ilk yazarı ve SEAS ve Wyss’teki doktora sonrası arkadaşı Luke MacQueen
“Bu projenin uzun vadeli amacı, insan modelleriyle ve özellikle hastaya özgü insan modelleriyle birlikte hayvan modellerini değiştirmek veya takviye etmektir” dedi.
“Gelecekte, hasta kök hücreleri toplanabilir ve tüm organlarının bazı özelliklerini kopyalayan doku modelleri oluşturmak için kullanılabilir.”
Harvard Tıp Fakültesi Pediatri Profesörü ve HSCI Ana Bilim Dalı üyesi ve makalenin ortak yazarı William Pu, “ Hastalıkların daha fazla fizyolojik modeli için heyecan verici bir kapı açıldı” dedi.
“Bu modeller sadece hasta mutasyonlarını değil, hastanın tüm genetik geçmişini de paylaşıyor.”
Fonksiyonel bir ventrikül oluşturmanın anahtarı dokunun benzersiz yapısını yeniden yaratmasıdır. Yerli kalplerde, paralel miyokardiyal lifler, uçtan uca, içi boş, koni şeklindeki bir yapı oluşturan, hizalamak ve birleştirmek için tuğla şeklindeki kalp hücrelerine rehberlik eden bir iskele görevi görür. Kalp atınca, hücreler bir akordeon gibi genişler ve büzülür.
Nanofibröz ventrikül iskelesi çekme eğirme. Bir iğneden beslenen bir polimer çözeltisi, yüksek hızlı dönen bir lif ile bir elyaf içine çekilir. Elyaf oluşumu, jet uzaması ve çözücü buharlaşmasından kaynaklanır ve lifler, dönen bir elipsoidal ventrikül iskele toplayıcısı üzerinde toplanır. (Hastalık Biyofizik Grubu / Harvard SEAS)
Bu iskeleyi yeniden yaratmak için araştırmacılar, Parker’ın Hastalık Biyofizik Grubu’nda geliştirilen çekme eğirme olarak bilinen nanofiber bir üretim platformu kullandılar. Çekme eğirme, bir polimer haznesi içine akan ve çözeltiden bir damlacık içine bir damlacığı çeken yüksek hızlı dönen bir kıl kullanır. Lif, spiral bir yörüngede hareket eder ve kıldan kopmadan ve bir toplayıcıya doğru hareket etmeden önce katılaşır.
Ventrikülü yapmak için araştırmacılar, mermi şeklinde dönen bir toplayıcı üzerinde toplanan biyobozunur polyester ve jelatin fiberlerin bir kombinasyonunu kullandılar. Kolektör dönüyor olduğundan, tüm lifler aynı yönde hizalanır.
MacQueen, “Doğal kasların yapısı gibi işleyen doğal kasların yapısını tekrarlamak önemlidir” dedi. “Lifler hizalandığında, hücreler hizalanacak, yani nativ hücrelerin yapacağı şekilde davranacak ve daralacağı anlamına geliyor.”
İskele inşa edildikten sonra araştırmacılar ventrikülü, sıçan miyositleri veya indüklenmiş kök hücrelerden insan kardiyomiyositleri ile kültüre ettiler. Üç ila beş gün içinde, ince bir doku duvarı iskele kapladı ve hücreler senkronize oldu. Oradan, araştırmacılar kalsiyum yayılımını kontrol edebilir ve izleyebilir ve dayak ventrikülünün basıncını ve hacmini incelemek için bir kateter yerleştirebilirler.
Lifler hizalandığında, hücreler hizalanacak, yani doğal hücrelerin yaptığı gibi davranacak ve daralacağı anlamına gelir.
Araştırmacılar dokuyu adrenaline benzer bir ilaç olan isoproterenole maruz bıraktılar ve insan ve sıçan kalplerinde olduğu gibi ritim oranı olarak ölçütüler. Araştırmacılar ayrıca ventrikülde miyokard enfarktüsünü taklit etmek için delikler açmışlar ve kalp krizi ile sonuçlanan bir petri kabındaki etkisini araştırmışlardır.
Ventrikülü uzun süreler boyunca daha iyi incelemek için araştırmacılar, isteğe bağlı supap ekleri, kateterler için ek giriş portları ve isteğe bağlı ventriküler destek kabiliyetleri için ayrı bölmelere sahip bağımsız bir biyoreaktör oluşturdular.
İsteğe bağlı supap uçları için ayrı bölmelere sahip bağımsız bir biyoreaktör, kateterler için ek erişim portları ve isteğe bağlı ventriküler destek yetenekleri. (John Ferrier / Harvard SEAS)
Araştırmacılar, indüklenmiş kök hücrelerden insan kardiyomiyositlerini kullanarak 6 ay boyunca ventrikülleri kültür edebilmekte ve sabit basınçlı hacim döngülerini ölçebildiler. MacQueen, “Bu ventrikülü uzun süreler boyunca inceleyebilmemiz, hastalardaki hastalıkların ilerleyişini incelemek için iyi bir haber ve aynı zamanda harekete geçecek ilaç tedavileridir” dedi.
Daha sonra, araştırmacılar, dokudan daha yüksek üretime olanak sağlayan ventriküllerin tohumlanması için hastadan türetilmiş, önceden ayırt edilmiş kök hücreleri kullanmayı amaçlamaktadır.
“Kardiyak miyositler, daha sonra kalp dokuları, daha sonra deniz organizmaları taklitlerinde kas pompaları ve şimdi bir ventrikül nasıl yapılacağını öğrenerek başladık” diyor Parker. “Bu arada, kas pompalarının bazı temel tasarım yasalarını açığa çıkardık ve bu yasalar hastalık tarafından bozulduğunda kalbin nasıl düzeltileceğine dair fikirler geliştirdik. Dört odacıklı bir kalp inşa etmek için uzun bir yolumuz var ama ilerlememiz hızlanıyor. ”
Harvard Teknoloji Geliştirme Ofisi, bu projeyle ilgili fikri mülkiyeti korumuş ve ticarileşme fırsatlarını araştırmaktadır.
Bu çalışma Harvard Üniversitesi’nde Mühendislik ve Uygulamalı Bilimler Harvard John A. Paulson, Harvard Üniversitesi’nde Biyolojik Olarak İlham Mühendisliği için Wyss Enstitüsü, Harvard Malzeme Araştırma Bilim ve Mühendislik Merkezi, Los Angeles Savunma Tehdit Azaltma Ajansı (DTRA) alt sözleşmesi tarafından desteklenmiştir. Alamos Ulusal Laboratuvarı ve Ulusal Sağlık Enstitüleri’nin Çeviri Bilimi Geliştirme Ulusal Merkezi.
Kaynaklar:
Bu makaleyi 6 dakikada okuyabilirsiniz.
Moleküler Biyoloji ve Genetik
