Er is geen veilige manier om een close-up van het menselijk hart te krijgen terwijl het zijn werk doet: je kunt het er niet gewoon uithalen, bekijken en er dan weer in stoppen. Wetenschappers hebben verschillende manieren geprobeerd om dit te omzeilen fundamenteel probleem: ze hebben kadaverharten aangesloten op machines om ze weer te laten pompen, in het laboratorium gekweekte hartweefsels aan veren bevestigd om ze te zien uitzetten en krimpen. Elke benadering heeft zijn gebreken: gereanimeerde harten kunnen maar een paar uur kloppen; veren kunnen de krachten die op de echte spier aan het werk zijn niet nabootsen. Maar het is dringend nodig om dit vitale orgaan beter te begrijpen: in Amerika sterft volgens de Centers for Disease Control and Prevention elke 36 seconden iemand aan een hartaandoening.
Nu heeft een interdisciplinair team van ingenieurs, biologen en genetici een nieuwe manier ontwikkeld om het hart te bestuderen: ze hebben een miniatuurreplica van een hartkamer gebouwd uit een combinatie van nano-engineered onderdelen en menselijk hartweefsel. Er zijn geen veren of externe stroombronnen — zoals het echte ding klopt het gewoon vanzelf, aangedreven door het levende hartweefsel dat uit stamcellen is gegroeid. Het apparaat zou onderzoekers een nauwkeuriger beeld kunnen geven van hoe het orgel werkt, waardoor ze kunnen volgen hoe het hart in het embryo groeit, de impact van ziekte kunnen bestuderen en de potentiële effectiviteit en bijwerkingen van nieuwe behandelingen kunnen testen – allemaal zonder risico aan patiënten en zonder een laboratorium te verlaten.
Het door Boston University geleide team achter de gadget – bijgenaamd miniPUMP en officieel bekend als de cardiale geminiaturiseerde Precision-enabled Unidirectionele Microfluïdische Pomp – zegt dat de technologie ook de weg kan banen voor het bouwen van laboratoriumversies van andere organen, van longen tot nieren. Hun bevindingen zijn gepubliceerd in Science Advances.
“We kunnen ziekteprogressie bestuderen op een manier die voorheen niet mogelijk was”, zegt Alice White, een professor aan de BU College of Engineering en voorzitter van werktuigbouwkunde. “We hebben ervoor gekozen om aan hartweefsel te werken vanwege de bijzonder gecompliceerde mechanica, maar we hebben aangetoond dat, wanneer je nanotechnologie gebruikt en het combineert met tissue engineering, er potentieel is om dit voor meerdere organen te repliceren.”
Volgens de onderzoekers zou het apparaat uiteindelijk het ontwikkelingsproces van medicijnen kunnen versnellen, waardoor het sneller en goedkoper wordt. In plaats van miljoenen – en mogelijk tientallen jaren – uit te geven om een medicinaal medicijn door de ontwikkelingspijplijn te verplaatsen om het bij de laatste hindernis te zien vallen wanneer het op mensen wordt getest, zouden onderzoekers de miniPUMP in het begin kunnen gebruiken om succes of falen beter te voorspellen.
Het project maakt deel uit van CELL-MET, een multi-institutioneel National Science Foundation Engineering Research Center in Cellular Metamaterials dat wordt geleid door de BU. Het doel van het centrum is om ziek menselijk hartweefsel te regenereren, een gemeenschap van wetenschappers en experts uit de industrie op te bouwen om nieuwe medicijnen te testen en kunstmatige implanteerbare pleisters te maken voor harten die zijn beschadigd door hartaanvallen of ziekte.
advertentie
“Hartaandoeningen zijn doodsoorzaak nummer één in de Verenigde Staten en raken ons allemaal”, zegt White, die hoofdwetenschapper was bij Alcatel-Lucent Bell Labs voordat hij in 2013 bij de BU kwam. aanval. De visie van CELL-MET is om hier verandering in te brengen.”
Gepersonaliseerde geneeskunde
Er kan veel mis gaan met je hart. Als het goed op alle vier de cilinders schiet, zorgen de twee bovenste en twee onderste kamers van het hart ervoor dat je bloed blijft stromen, zodat zuurstofrijk bloed circuleert en je lichaam voedt. Maar wanneer de ziekte toeslaat, kunnen de slagaders die het bloed van uw hart afvoeren, vernauwen of verstopt raken, kleppen kunnen lekken of defect raken, de hartspier kan dunner of dikker worden, of elektrische signalen kunnen kortsluiting veroorzaken, waardoor er te veel of te weinig ontstaat. slaat. Ongecontroleerde hartaandoeningen kunnen leiden tot ongemak – zoals kortademigheid, vermoeidheid, zwelling en pijn op de borst – en, voor velen, de dood.
“Het hart ervaart complexe krachten terwijl het bloed door ons lichaam pompt”, zegt Christopher Chen, BU’s William F. Warren Distinguished Professor of Biomedical Engineering. “En hoewel we weten dat de hartspier slechter wordt als reactie op abnormale krachten – bijvoorbeeld als gevolg van hoge bloeddruk of klepziekte – was het moeilijk om deze ziekteprocessen na te bootsen en te bestuderen. Daarom wilden we bouw een geminiaturiseerde hartkamer.”
Met slechts 3 vierkante centimeter is de miniPUMP niet veel groter dan een postzegel. Gebouwd om te werken als een menselijk hartventrikel – of gespierde onderste kamer – zijn de op maat gemaakte componenten gemonteerd op een dun stuk 3D-geprint plastic. Er zijn miniatuur acrylventielen, die openen en sluiten om de vloeistofstroom te regelen – water, in dit geval, in plaats van bloed – en kleine buisjes, die die vloeistof doorsluizen, net als slagaders en aders. En in een hoek slaan de spiercellen die hartweefsel doen samentrekken, cardiomyocyten, gemaakt met behulp van stamceltechnologie.
advertentie
“Ze worden gegenereerd met behulp van geïnduceerde pluripotente stamcellen”, zegt Christos Michas (ENG’21), een postdoctoraal onderzoeker die de miniPUMP ontwierp en leidde als onderdeel van zijn proefschrift.
Om de cardiomyocyt te maken, nemen onderzoekers een cel van een volwassene – het kan een huidcel, bloedcel of zo ongeveer elke andere cel zijn – herprogrammeren het in een embryonale stamcel en transformeren dat vervolgens in de hartcel. Michas zegt dat de cardiomyocyten het apparaat niet alleen een letterlijk hart geven, maar ook een enorm potentieel bieden bij het pionieren van gepersonaliseerde medicijnen. Onderzoekers kunnen bijvoorbeeld een ziek weefsel in het apparaat plaatsen, vervolgens een medicijn op dat weefsel testen en kijken hoe het pompvermogen wordt beïnvloed.
“Als ik met dit systeem cellen van je neem, kan ik zien hoe het medicijn in je zou reageren, want dit zijn jouw cellen”, zegt Michas. “Dit systeem repliceert een deel van de functie van het hart beter, maar geeft ons tegelijkertijd de flexibiliteit om verschillende mensen te hebben die het repliceert. Het is een meer voorspellend model om te zien wat er bij mensen zou gebeuren – zonder echt in mensen te komen .”
Volgens Michas zou dat wetenschappers in staat kunnen stellen om de kansen op succes van een nieuw medicijn tegen hartziekten te beoordelen lang voordat ze klinische proeven gaan doen. Veel kandidaat-geneesmiddelen falen vanwege hun nadelige bijwerkingen.
“Vanaf het begin, wanneer we nog steeds met cellen spelen, kunnen we deze apparaten introduceren en nauwkeurigere voorspellingen hebben van wat er zal gebeuren in klinische onderzoeken”, zegt Michas. “Het zal ook betekenen dat de medicijnen mogelijk minder bijwerkingen hebben.”
Dunner dan een mensenhaar
Een van de belangrijkste onderdelen van de miniPUMP is een acrylsteiger die het hartweefsel ondersteunt en meebeweegt terwijl het samentrekt. Een reeks superfijne concentrische spiralen – dunner dan een mensenhaar – verbonden door horizontale ringen, de steiger ziet eruit als een kunstzinnige zuiger. Het is een essentieel stukje van de puzzel, dat structuur geeft aan de hartcellen — die zonder de cellen gewoon een vormloze klodder zouden zijn — maar er geen actieve kracht op uitoefent.
“We denken niet dat eerdere methoden voor het bestuderen van hartweefsel de manier vastleggen waarop de spier in je lichaam zou reageren”, zegt Chen, die ook directeur is van het Biological Design Center van de BU en een geassocieerd faculteitslid aan het Wyss Institute for Biologically Inspired Engineering van de Harvard University. “Dit geeft ons de eerste kans om iets te bouwen dat mechanisch meer lijkt op wat we denken dat het hart daadwerkelijk ervaart – het is een grote stap voorwaarts.”
Om elk van de kleine componenten te printen, gebruikte het team een proces genaamd two-photon direct laser writing – een preciezere versie van 3D-printen. Wanneer licht in een vloeibare hars wordt gestraald, worden de gebieden die het aanraakt vast; omdat het licht zo nauwkeurig kan worden gericht — gefocust op een kleine plek — worden veel van de componenten in de miniPUMP gemeten in microns, kleiner dan een stofdeeltje.
De beslissing om de pomp zo klein te maken, in plaats van levensgroot of groter, was een bewuste keuze en cruciaal voor het functioneren ervan.
“De structurele elementen zijn zo fijn dat dingen die normaal stijf zouden zijn, flexibel zijn”, zegt White. “Denk naar analogie met glasvezel: een glazen raam is erg stijf, maar je kunt een glasvezel om je vinger wikkelen. Acryl kan erg stijf zijn, maar op de schaal van de miniPUMP kan de acrylsteiger worden gecomprimeerd door de kloppende hartspiercellen.”
Chen zegt dat de schaal van de pomp laat zien “dat je met fijnere printarchitecturen in staat zou kunnen zijn om complexere organisaties van cellen te creëren dan we eerder voor mogelijk hielden.” Op dit moment, wanneer onderzoekers cellen proberen te maken, zegt hij, of het nu hartcellen of levercellen zijn, ze zijn allemaal ongeorganiseerd – “om structuur te krijgen, moet je je vingers kruisen en hopen dat de cellen iets creëren.” Dat betekent dat de weefselsteiger die in de miniPUMP is ontwikkeld, grote potentiële implicaties heeft buiten het hart, en de basis legt voor andere organen-op-een-chip, van nieren tot longen.
De technologie verfijnen
Volgens White is de doorbraak mogelijk dankzij het scala aan experts in het onderzoeksteam van CELL-MET, waaronder niet alleen mechanische, biomedische en materiaalingenieurs zoals zij, Chen en Arvind Agarwal van Florida International University, maar ook geneticus Jonathan G Seidman van de Harvard Medical School en cardiovasculaire geneeskunde specialist Christine E. Seidman van de Harvard Medical School en Brigham and Women’s Hospital. Het is een brede ervaring die niet alleen het project, maar ook Michas ten goede is gekomen. Hij is een student elektrotechniek en computertechniek als student en zegt dat hij ‘nooit in mijn leven cellen had gezien voordat hij aan dit project begon’. Nu bereidt hij zich voor om een nieuwe functie te beginnen bij de in Seattle gevestigde biotech Curi Bio, een bedrijf dat stamceltechnologie, weefselbiosystemen en kunstmatige intelligentie combineert om de ontwikkeling van medicijnen en therapieën te stimuleren.
“Christos is iemand die de biologie begrijpt”, zegt White, “kan de celdifferentiatie en weefselmanipulatie doen, maar ook nanotechnologie begrijpt en begrijpt wat er op een technische manier nodig is om de structuur te fabriceren.”
Het volgende directe doel voor het miniPUMP-team? Om de technologie te verfijnen. Ze zijn ook van plan om manieren te testen om het apparaat te produceren zonder de betrouwbaarheid in gevaar te brengen.
“Er zijn zoveel onderzoekstoepassingen”, zegt Chen. “Dit werk geeft ons niet alleen toegang tot de menselijke hartspier voor het bestuderen van ziekten en pathologie, maar maakt ook de weg vrij voor het maken van hartpatches die uiteindelijk zouden kunnen zijn voor iemand met een defect in hun huidige hart.”
lees het gehele artikel bij de bron
————————————————– ———————————–
samenvatting:
Een team van ingenieurs, biologen en genetici heeft een nieuwe manier ontwikkeld om het hart te bestuderen: ze hebben een miniatuurreplica van een hartkamer gebouwd uit een combinatie van nano-engineered onderdelen en menselijk hartweefsel.
Datum van publicatie: 24 april 2022
Bron: Bijzonder | Vreemd en ongebruikelijk nieuws — ScienceDaily
————————————————– ———————————–