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Un sostituto biologico per i pacemaker
Circa 200.000 persone negli Stati Uniti ricevono pacemaker ogni anno, ma avere una macchina a batteria che controlla il cuore è tutt'altro che ottimale, soprattutto per i bambini, perché richiede operazioni ripetute.
Il tessuto ingegnerizzato fornisce una connessione elettrica tra gli atri (non mostrati) e i ventricoli (a sinistra). Le cellule impiantate appaiono solo in verde, mentre le cellule cardiache sono in rosso e verde. Tali impianti di ingegneria tissutale potrebbero sostituire i pacemaker. (Per gentile concessione di Douglas Cowan, Children's Hospital Boston.)
Secondo nuove scoperte, le cellule muscolari del tessuto stesso di un paziente potrebbero un giorno essere utilizzate per trattare alcuni problemi cardiaci. Gli scienziati del Children's Hospital di Boston hanno escogitato un modo per far crescere cellule muscolari scheletriche che, una volta impiantate nel cuore dei ratti, trasmettono i segnali elettrici vitali del cuore. La terapia potrebbe eventualmente aiutare le persone con ritmi cardiaci anormali.
Quando il cuore batte, gli impulsi elettrici vengono prima generati nella parte superiore del cuore e si propagano attraverso il muscolo, provocando la contrazione delle camere superiori del cuore. Il segnale raggiunge quindi un piccolo pezzo di tessuto, chiamato nodo atrioventricolare (AV), e rallenta per una frazione di secondo, consentendo alle camere inferiori, o ventricoli, del cuore di riempirsi di sangue. Il segnale viene quindi propagato ai ventricoli, permettendo loro di contrarsi.
Sfortunatamente, la funzione del nodo AV a volte va storta. Nei pazienti con una condizione nota come blocco cardiaco completo, che può essere scatenata da uno dei diversi fattori: malattie cardiache, difetti dello sviluppo o lesioni durante l'intervento chirurgico, il nodo AV è sufficientemente danneggiato da impedire la trasmissione del segnale elettrico dalla parte superiore a quella superiore. camere inferiori e il cuore non funziona correttamente.
I pacemaker impiantati nel cuore possono spesso risolvere il problema: rilevano il segnale elettrico nella camera superiore del cuore e quindi stimolano la contrazione della camera inferiore. Ma nei bambini, i pacemaker hanno alcuni inconvenienti. Il bambino può diventare troppo grande per il dispositivo e le batterie devono essere sostituite ogni tre-cinque anni, richiedendo interventi chirurgici ripetuti. Volevamo provare a creare un ponte elettrico [cellulare] per i bambini con problemi ai nodi AV, afferma Douglas Cowen , un biologo cellulare dell'ospedale pediatrico che ha guidato il nuovo studio.
Uno dei principali vantaggi di un'alternativa biologica a un pacemaker è che cresce con il bambino, afferma David Lathrop, leader del gruppo di ricerca sulle aritmie presso il National Heart Lung and Blood Institute , una divisione del National Institutes of Health di Bethesda, MD.
Anche altri gruppi stanno sviluppando alternative biologiche ai pacemaker. Ma la tecnica di Cowen può offrire vantaggi perché trasmette direttamente i segnali elettrici del cuore, piuttosto che generare un nuovo segnale elettrico, come fa un pacemaker. L'approccio adottato da Cowen è più simile al normale percorso di conduzione del cuore, afferma Lathrop. È troppo presto per dire quale sia meglio a questo punto. Aggiunge che entrambe le tecniche necessitano di ulteriore sviluppo e sono lontani anni dai test clinici.
Cowen e il team hanno prelevato cellule muscolari scheletriche dai ratti e le hanno trasferite su un'impalcatura di collagene appositamente progettata. Quando sono nell'impalcatura, le cellule si allineano in un condotto ed esprimono una proteina che crea piccoli pori tra le cellule, consentendo loro di trasmettere segnali elettrici.
Quando sezioni di questo tessuto ingegnerizzato sono state trapiantate in cuori di ratto, le nuove cellule si sono integrate nel tessuto cardiaco esistente, creando connessioni elettriche con le cellule esistenti. (I ratti non avevano un blocco cardiaco; Cowen dice che i cuori dei ratti sono troppo piccoli per avere pacemaker, che sono necessari per mantenere in vita un ratto con blocco cardiaco abbastanza a lungo da trapiantare le cellule.) I ricercatori hanno usato l'imaging ottico del cuore per dimostrare che le nuove celle erano elettricamente attive, formando essenzialmente un circuito di conduzione alternativo. I risultati appaiono nel numero di luglio del American Journal of Pathology .
Cowan e il team stanno ancora risolvendo alcuni intoppi nella terapia. Devono progettare un impianto cellulare che imiti il breve ritardo temporale del nodo AV, che è cruciale per il corretto funzionamento del cuore. Ora stanno testando diversi tipi di cellule, come le cellule staminali del sangue o del midollo osseo, che potrebbero essere indirizzate a differenziarsi in una cellula che assomiglia più da vicino a una cellula del cuore. Gli scienziati hanno inizialmente scelto le cellule muscolari scheletriche perché sono una risorsa facilmente acquisibile: tali cellule potrebbero essere ottenute da pazienti che necessitano di un pacemaker mediante una biopsia muscolare di routine e non devono essere coltivate in condizioni speciali, come nel caso delle cellule staminali .
I ricercatori stanno anche testando la terapia su animali più grandi, i cui cuori assomigliano più da vicino a quelli degli umani. Indurranno il blocco cardiaco in questi animali e li impianteranno sia con pacemaker che con tessuto scheletrico ingegnerizzato per determinare se il tessuto ingegnerizzato può prendere il posto del pacemaker.
Meno hardware metti in qualcuno, meglio è, afferma Ivan Vesely, un ingegnere biomedico specializzato in ingegneria dei tessuti cardiaci al Children's Hospital di Los Angeles. Quindi, se l'unico problema è un percorso di conduzione mancante, ha molto senso provare a riprogettare quel percorso, piuttosto che affidare l'intero cuore a un pacemaker.