Crescere nuovi cuori dal vecchio

Gli scienziati dell'Università del Minnesota hanno compiuto un grande passo avanti verso la creazione di organi sostitutivi con le cellule dei riceventi. In esperimenti eseguiti su ratti e maiali, i ricercatori hanno spogliato i cuori dei donatori delle loro cellule per creare impalcature su cui sono state coltivate le cellule dei riceventi. La speranza è che un approccio simile possa un giorno rivelarsi utile per i pazienti umani con malattie cardiache allo stadio terminale. In teoria, questi nuovi cuori potrebbero rivelarsi migliori dei tradizionali cuori di donatori perché hanno meno probabilità di causare una risposta immunitaria.

Un cuore vuoto: I ricercatori hanno creato nuovi cuori utilizzando cuori di ratto e maiale decellularizzati come impalcature. In questa serie, un cuore contenente cellule (in alto) diventa un'impalcatura spogliata di cellule (in basso).

È un lavoro audace, coraggioso ed emozionante, dice amico ratner , un professore di bioingegneria e ingegneria chimica presso l'Università di Washington, che non è stato coinvolto nella ricerca. Tuttavia, rimangono ostacoli sostanziali prima che l'approccio possa essere applicabile ai pazienti umani.

Questa è solo una prima prova del concetto, dimostrando che non è completamente folle provare a decellularizzare un intero cuore e ripopolarlo con nuove cellule, afferma Doris Taylor , direttore del Centro per la riparazione cardiovascolare presso l'Università del Minnesota. Il lavoro del suo team è stato pubblicato ieri in Medicina della natura in linea.

Per creare scaffold decellularizzati, Taylor e il suo team hanno irrorato i cuori di ratto con detergenti. Quando le cellule sono state rimosse, è rimasta una complessa architettura di matrice extracellulare bianca. L'anatomia delle camere cardiache sembrava essere intatta, così come le valvole e i vasi sanguigni, afferma Taylor.

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• Guarda Doris Taylor e il suo team fare nuovi cuori.

I ricercatori hanno riseminato gli scaffold con cellule cardiache ed endoteliali prelevate da ratti. Quindi hanno collocato questi costrutti in bioreattori che simulavano la pressione sanguigna, la stimolazione elettrica e altri aspetti della fisiologia cardiaca. Volevamo trattare le cellule come se fossero in un cuore e vedere se si comportavano di conseguenza, dice Taylor. Dopo quattro giorni, le cellule del cuore iniziarono a contrarsi. Dopo otto giorni, i cuori sono stati in grado di pompare con circa il 2% della forza di un cuore di ratto adulto, secondo il documento.

Questo è l'approccio biomimetico definitivo all'ingegneria dei tessuti cardiaci, afferma Gordana Vunjak-Novakovic , professore di ingegneria biomedica alla Columbia University. Una matrice di cuore intero decellularizzata fornisce praticamente un'impalcatura ideale, afferma, poiché preserva gran parte della composizione, della struttura e delle proprietà meccaniche del cuore.

In teoria, se i cuori potessero essere realizzati in questo modo per i pazienti umani, potrebbero offrire un'alternativa ai tradizionali cuori di donatori. In teoria, i pazienti non avrebbero bisogno di assumere farmaci immunosoppressori poiché i nuovi costrutti sarebbero costruiti con le proprie cellule.

Tuttavia, il metodo richiederebbe un cuore di cadavere (o forse un cuore di maiale) da cui ricavare l'impalcatura. Ci vuole ancora un cuore per creare un cuore, e non possiamo risparmiare nessun cuore al momento, dice Ratner.

Un'altra sfida sarebbe garantire cellule umane appropriate, in quantità sufficiente, per ripopolare l'impalcatura. Le cellule dei muscoli cardiaci adulti, o cardiomiociti, non proliferano, afferma Vunjak-Novakovic. Né queste cellule possono essere prodotte da fonti prontamente disponibili come cellule adulte derivate dal midollo osseo. Le cellule staminali residenti sono una potenziale fonte, ma non sono abbondanti. Anche le cellule staminali embrionali sono una possibilità, ma devono essere indirizzate a differenziarsi in un tessuto desiderato e personalizzate per essere accettate dai pazienti.

Ulteriori sfide, che potrebbero rivelarsi più difficili per i cuori umani più grandi, includono caricare l'impalcatura con il numero appropriato di cellule, mantenere le cellule vive con nutrienti e ossigeno sufficienti e farle maturare correttamente.

Anche creare un cuore elettricamente stabile per lunghi periodi di tempo può essere difficile, afferma Richard Lee , cardiologo al Brigham and Women's Hospital di Boston e professore alla Harvard Medical School.

Inoltre, il cuore dovrebbe poter esistere in vivo per lunghi periodi di tempo senza causare coaguli di sangue o ictus. C'è ancora molta strada da fare prima che tu possa davvero sentire che questo è all'orizzonte per il trattamento dei pazienti, afferma Lee.

Negli ultimi anni, la ricerca sull'ingegneria dei tessuti cardiaci ha proliferato notevolmente. Molti gruppi ora usano le cellule insieme a vari tipi di materiale per impalcature per cercare di ricostruire la struttura del tessuto vascolare o cardiaco.

Mentre il cuore immaginato da Taylor potrebbe essere un'alternativa al trapianto per alcuni pazienti con cardiopatia allo stadio terminale o insufficienza cardiaca congestizia, altri lavori mirano a riparare aree di danno localizzate, come quelle causate da infarto miocardico o infarto.

Ad esempio, diversi gruppi stanno attualmente lavorando su cerotti cardiaci, che sono bande di tessuto ingegnerizzato che possono essere applicate chirurgicamente su un'area danneggiata del cuore per aiutare a ripristinare la sua funzione.

I ricercatori che lavorano sui cerotti cardiaci affrontano alcune delle stesse sfide del gruppo di Taylor: proteggere le cellule appropriate, farle crescere su un'impalcatura e integrarle con successo nel corpo, afferma Vunjak-Novakovic. Il suo gruppo sta progettando cerotti utilizzando cellule staminali umane adulte e cellule staminali embrionali umane, con l'obiettivo di rivascolarizzare e ricostruire la struttura cardiaca in un'area che è stata danneggiata da un infarto. I cerotti cardiaci hanno mostrato qualche promessa negli studi sugli animali, ma devono ancora essere testati negli studi sull'uomo.

Taylor afferma che la tecnologia del cuore decellularizzato del suo team potrebbe essere utilizzata anche per creare una porzione di cuore come un muro o un ventricolo, o una sezione di tessuto che potrebbe essere utilizzata come cerotto.

Un altro approccio consiste nell'iniettare cellule nelle regioni cardiache danneggiate con la speranza di ricostruire o riparare il tessuto cardiaco e il sistema vascolare. Lee afferma che l'iniezione di cellule del midollo osseo nelle arterie del cuore ha mostrato un certo successo nel migliorare la frazione di eiezione (la percentuale di sangue espulso ad ogni battito) e altre misure della funzione cardiaca negli studi clinici sull'uomo.

Dato l'enorme numero di pazienti che necessitano di nuove opzioni, aggiunge Lee, tutto dovrebbe essere sul tavolo. Non possiamo rinunciare a nessun approccio, non importa quanto selvaggio o improbabile, fino a quando non avremo cure migliori per queste persone.

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