Ingeniør-klinikerteamet bruger aktive rynker til at holde syntetiske transplantater rene

Under en koronar bypass-procedure, kirurger omdirigerer blodgennemstrømningen ved hjælp af et autologt bypass-transplantat, stammer oftest fra patientens egne vener. Imidlertid, i visse situationer, hvor patienten ikke har en passende vene, kirurger skal stole på syntetiske kartransplantater, som mens livreddende, er mere tilbøjelige til koageldannelse, der til sidst blokerer transplantatet.

For at forbedre succesraten for syntetiske transplantater, et forskerhold ledet af University of Pittsburgh undersøger, om de "aktive rynker" på den indre overflade af arterierne kan hjælpe med at forbedre syntetisk graftdesign og skabe et bedre alternativ til autologe grafter til bypass-kirurgi.

Forskningen udføres af Sachin Velankar, lektor i kemiteknik ved Swanson School of Engineering; Edith Tzeng, professor i kirurgi ved School of Medicine; og Luka Pocivavsek, en tidligere beboer i Kirurgisk Afdeling. Sammen med Pocivavsek, som nu er karkirurgi-stipendiat ved University of Chicago, Velankar og Tzeng tog inspiration fra arterier for at finde en måde at forbedre blodgennemstrømningen i syntetiske transplantater.

"Den indre overflade af naturlige arterier, kendt som den luminale overflade, er kraftigt rynket, " sagde Velankar. "Vi ønskede at udforske virkningerne af denne rynkning for at se, om overgangen fra en glat til rynket tilstand vil forhindre koageldannelse. Det kalder vi dynamisk topografi."

Pocivavsek, Velankar, og Tzeng arbejdede sammen med et team af Swanson School of Engineering-studerende for at skabe en model til at teste ideen om, at sådanne overflade-"topografiske" ændringer kan spille en anti-trombotisk rolle. De fik også hjælp fra William Wagner, Direktør for Pitt's McGowan Institute for Regenerative Medicine, hvis laboratorium har ekspertise i, hvordan man måler begroning - ophobning af uønsket materiale på overflader. Holdet opdagede, at overflader, der gentagne gange skifter mellem en glat til rynket tilstand, modstår blodpladebegroning, et fund, der kan føre til trombose-resistente bypass-transplantater.

Udstyret med en strategi til at forbedre effektiviteten af ​​syntetiske transplantater, Velankar og Tzeng er ivrige efter at anvende denne forskning til kliniske applikationer og modtog en $454, 539 R56-pris fra National Institutes of Health til at finansiere klinisk oversættelsesarbejde.

"Vores arterier udvider sig og trækker sig naturligt sammen, delvist drevet af normale udsving i blodtrykket under hjertecyklussen, " sagde Tzeng. "Vores hypotese er, at dette driver overgangen mellem glatte og rynkede luminale overflader i arterier, og denne dynamiske topografi kan være en vigtig anti-trombotisk mekanisme i arterier. Vores mål er at bruge dette nye koncept med en rent mekanisk tilgang til at forhindre vaskulær graftbegroning ved at bruge hjerteslag som en drivmekanisme."

De er også interesserede i at undersøge biomekanikken i den luminale rynkning i faktiske arterier og modtog for nylig en treårig, $341, 599 tilskud fra National Science Foundation til at fortsætte deres undersøgelse både in vivo og med dyreprøver. Gennem en kombination af simulering og eksperimenter, de håber at få en bedre forståelse af den funktionelle rolle af luminal rynkning.

"Vi ved, at arterier fremstår krøllede i et mikroskop", sagde Velankar. "Men hvad er den underliggende biomekanik? Og hvad sker der, når arterien ikke er under et mikroskop, men stadig bærer blod i det levende dyr?"

Pocivavsek, Velankar, og Tzeng detaljerede for nylig deres forskningsresultater i en Biomaterialer artikel med titlen "Active wrinkles to drive self-cleaning:A strategy for anti-thrombotic surfaces for vascular grafts" (DOI:10.1016/j.biomaterials.2018.11.005). Det er den første praktiske anvendelse af konceptet, som de beskrev tidligere på året i Naturfysik artikel med titlen "Topografidrevet overfladefornyelse" (DOI:10.1038/s41567-018-0193-x).

"Vi håber, at vores nye strategi til at reducere begroning vil føre til udviklingen af ​​medicinsk udstyr, der vil forbedre behandlingen af ​​skadede eller syge arterier, " sagde Velankar.

Med tillid til, at deres forskning kan give et positivt resultat, gruppen skabte Aruga Technologies, en spin-off virksomhed fra Pitt's Innovation Institute. Virksomheden har til formål at udvikle syntetiske vaskulære transplantater, der kan bruges til kirurgiske indgreb, såsom en koronar bypass.