Engineering hjerteklapper til de mange

Menneskets hjerte slår cirka 35 millioner gange hvert år, effektivt pumpe blod ind i kredsløbet via fire forskellige hjerteklapper. Desværre, i over fire millioner mennesker hvert år, disse sarte vævsfejl på grund af fødselsdefekter, aldersrelaterede forringelser, og infektioner, forårsager hjerteklappesygdom.

I dag, klinikere bruger enten kunstige proteser eller faste dyr og kadaver-væv til at erstatte defekte ventiler. Selvom disse proteser kan genoprette hjertets funktion i et stykke tid, de er forbundet med negativ komorbiditet og nedslidning og skal udskiftes under invasive og dyre operationer. I øvrigt, hos børn, implanterede hjerteklapproteser skal udskiftes endnu oftere, da de ikke kan vokse med barnet.

Et team ledet af Kevin Kit Parker, Ph.d. ved Harvard University's Wyss Institute for Biologically Inspired Engineering har for nylig udviklet en nanofiber fremstillingsteknik til hurtigt at fremstille hjerteklapper med regenerativ og vækstpotentiale. I et papir udgivet i Biomaterialer , Andrew Capulli, Ph.d. og kolleger fremstillede et ventilformet nanofibernetværk, der efterligner de mekaniske og kemiske egenskaber ved den native ventil ekstracellulære matrix (ECM). For at opnå dette, teamet brugte Parker labs proprietære roterende jet -spinningsteknologi - hvor en roterende dyse ekstruderer en ECM -løsning til nanofibre, der vikler sig omkring hjerteventilformede dorner. "Vores setup er som en meget hurtig sukkermaskine, der kan spinde en række syntetiske og naturligt forekommende materialer. I denne undersøgelse, vi brugte en kombination af syntetiske polymerer og ECM-proteiner til at fremstille biokompatible JetValves, der er hæmodynamisk kompetente ved implantation og understøtter cellemigration og genpopulation in vitro. Vigtigere, vi kan lave JetValves i menneskelig størrelse på få minutter - meget hurtigere end muligt for andre regenerative proteser, "sagde Parker.

For yderligere at udvikle og teste det kliniske potentiale for JetValves, Parkers team samarbejdede med translationsteamet fra Simon P. Hoerstrup, M.D., Ph.d., ved universitetet i Zürich i Schweiz, som er en partnerinstitution med Wyss Institute. Som leder inden for regenerative hjerteproteser, Hoerstrup og hans team i Zürich har tidligere udviklet regenerativ, vævsudviklede hjerteklapper til udskiftning af mekaniske og faste vævs hjerteklapper. I Hoerstrups tilgang, menneskelige celler deponerer direkte et regenerativt lag af kompleks ECM på bionedbrydelige stilladser formet som hjerteklapper og kar. De levende celler elimineres derefter fra stilladserne, hvilket resulterer i en "off-the-shelf" human matrix-baseret protese klar til implantation.

I avisen, det tværfaglige team med succes implanterede JetValves i får ved hjælp af en minimalt invasiv teknik og demonstrerede, at ventilerne fungerede korrekt i kredsløbet og regenererede nyt væv. "I vores tidligere undersøgelser, de celle-afledte ECM-belagte stilladser kunne rekruttere celler fra det modtagende dyrs hjerte og understøtte celleproliferation, ombygning af matrix, vævsregenerering, og endda dyrevækst. Selvom disse ventiler er sikre og effektive, deres fremstilling er fortsat kompleks og dyr, da menneskelige celler skal dyrkes i lang tid under stærkt regulerede forhold. JetValves meget hurtigere fremstillingsproces kan være en game-changer i denne henseende. Hvis vi kan kopiere disse resultater hos mennesker, denne teknologi kan have uvurderlige fordele ved at minimere antallet af pædiatriske genoperationer, sagde Hoerstrup.

Til støtte for disse oversættelsesbestræbelser, Wyss Institute for Biologically Inspired Engineering og University of Zurich annoncerede i dag en tværinstitutionel teamindsats for at generere en funktionel hjerteventiludskiftning med kapacitet til reparation, regenerering, og vækst. Teamet arbejder også hen imod en GMP-version af deres tilpassede, skalerbar, og omkostningseffektiv fremstillingsproces, der ville muliggøre udsendelse til en stor patientpopulation. Ud over, den nye hjerteventil ville være kompatibel med minimalt invasive procedurer til at betjene både pædiatriske og voksne patienter.

Projektet ledes i fællesskab af Parker og Hoerstrup. Parker er et kernefakultetsmedlem i Wyss Institute og Tarr Family Professor i bioingeniør og anvendt fysik ved Harvard John A. Paulson School of Engineering and Applied Sciences (SEAS). Hoerstrup er formand og direktør for University of Zurich's Institute for Regenerative Medicine (IREM), Meddirektør for det nyligt stiftede Wyss Translational Center Zurich og medlem af Wyss Institute Associate Faculty.

Da JetValves kan fremstilles i alle ønskede former og størrelser, og tager sekunder til minutter at producere, teamets mål er at levere tilpasset, klar til brug, regenerative hjerteklapper meget hurtigere og til meget lavere pris end i øjeblikket muligt.

"Opnåelse af målet om minimalt invasiv, billige regenererende hjerteklapper kan have enorm indflydelse på patienters liv på tværs af alder, sociale og geografiske grænser. Endnu engang, vores kollaborative teamstruktur, der kombinerer unik og førende ekspertise inden for bioingeniør, regenerativ medicin, kirurgisk innovation og forretningsudvikling på tværs af Wyss Institute og vores partnerinstitutioner, gør det muligt for os at fremme teknologiudviklingen på måder, der ikke er mulige i et konventionelt akademisk laboratorium, "sagde Wyss Institutes grundlægger, Donald Ingber, M.D., Ph.d., som også er Judah Folkman professor i vaskulær biologi ved HMS og vaskulærbiologiprogrammet på Boston Children's Hospital, samt professor i bioingeniør ved SEAS.