Det mänskliga hjärtat slår ungefär 35 miljoner gånger varje år, effektivt pumpar blod in i cirkulationen via fyra olika hjärtklaffar. Tyvärr, i över fyra miljoner människor varje år, dessa känsliga vävnader fungerar på grund av fosterskador, åldersrelaterade försämringar, och infektioner, orsakar hjärtklaffssjukdom.
I dag, kliniker använder antingen konstgjorda proteser eller fasta vävnader från djur och kadaver för att ersätta defekta ventiler. Även om dessa proteser kan återställa hjärtats funktion ett tag, de är förknippade med negativ komorbiditet och slitage och måste bytas ut vid invasiva och dyra operationer. Dessutom, hos barn, implanterade hjärtklaffproteser måste bytas ännu oftare eftersom de inte kan växa med barnet.
Ett team ledat av Kevin Kit Parker, Ph.D. vid Harvard Universitys Wyss Institute for Biologically Inspired Engineering utvecklade nyligen en nanofiber tillverkningsteknik för att snabbt tillverka hjärtklaffar med regenerativ och tillväxtpotential. I ett papper publicerat i Biomaterial , Andrew Capulli, Ph.D. och kollegor tillverkade ett ventilformat nanofibernätverk som efterliknar de mekaniska och kemiska egenskaperna hos den naturliga ventilens extracellulära matris (ECM). För att uppnå detta, laget använde Parker labs egenutvecklade roterande jet -spinningsteknik - där ett roterande munstycke extruderar en ECM -lösning till nanofibrer som lindar sig runt hjärtventilformade dornar. "Vår installation är som en mycket snabb bomullsmaskin som kan snurra en rad syntetiska och naturligt förekommande material. I denna studie, vi använde en kombination av syntetiska polymerer och ECM-proteiner för att tillverka biokompatibla JetValves som är hemodynamiskt kompetenta vid implantation och stödjer cellmigration och återpopulation in vitro. Viktigt, vi kan göra JetValves i mänsklig storlek på några minuter - mycket snabbare än möjligt för andra regenerativa proteser, "sa Parker.
För att vidareutveckla och testa den kliniska potentialen hos JetValves, Parkers team samarbetade med translationsteamet av Simon P. Hoerstrup, M.D., Ph.D., vid Zürichs universitet i Schweiz, som är en partnerinstitution med Wyss Institute. Som ledande inom regenerativa hjärtproteser, Hoerstrup och hans team i Zürich har tidigare utvecklat regenerativ, vävnadstekniska hjärtklaffar för att ersätta mekaniska och fasta vävnadshjärtklaffar. I Hoerstrups tillvägagångssätt, mänskliga celler deponerar direkt ett regenererande lager av komplex ECM på biologiskt nedbrytbara ställningar formade som hjärtklaffar och kärl. De levande cellerna elimineras sedan från ställningarna vilket resulterar i en "off-the-shelf" -matrisbaserad protes som är klar för implantation.
I tidningen, det tvärvetenskapliga teamet framgångsrikt implanterade JetValves i får med hjälp av en minimalt invasiv teknik och visade att ventilerna fungerade korrekt i cirkulationen och återskapade ny vävnad. "I våra tidigare studier har de cellhärledda ECM-belagda byggnadsställningarna kan rekrytera celler från det mottagande djurets hjärta och stödja cellproliferation, ombyggnad av matris, vävnadsregenerering, och till och med djurtillväxt. Även om dessa ventiler är säkra och effektiva, deras tillverkning är fortfarande komplex och dyr eftersom mänskliga celler måste odlas under lång tid under hårt reglerade förhållanden. JetValves mycket snabbare tillverkningsprocess kan vara en spelväxlare i detta avseende. Om vi kan replikera dessa resultat hos människor, denna teknik kan ha ovärderliga fördelar med att minimera antalet barnreoperationer, sa Hoerstrup.
Till stöd för dessa översättningsinsatser, Wyss Institute for Biologically Inspired Engineering och Zürichs universitet tillkännagav idag ett tvärinstitutionellt teaminsats för att skapa en funktionell hjärtklaffsersättning med kapacitet för reparation, regeneration, och tillväxt. Teamet arbetar också mot en GMP-version av deras anpassningsbara, skalbar, och kostnadseffektiv tillverkningsprocess som skulle möjliggöra distribution till en stor patientpopulation. Dessutom, den nya hjärtklaffen skulle vara kompatibel med minimalt invasiva ingrepp för både barn och vuxna.
Projektet kommer att ledas gemensamt av Parker och Hoerstrup. Parker är en ledande fakultetsmedlem vid Wyss Institute och Tarr Family Professor i bioingenjör och tillämpad fysik vid Harvard John A. Paulson School of Engineering and Applied Sciences (SEAS). Hoerstrup är ordförande och chef för University of Zurich Institute for Regenerative Medicine (IREM), Meddirektör för det nyligen grundade Wyss Translational Center Zurich och en Wyss Institute Associate Faculty-medlem.
Eftersom JetValves kan tillverkas i alla önskade former och storlekar, och ta sekunder till minuter att producera, lagets mål är att tillhandahålla skräddarsydda, redo att använda, regenerativa hjärtklaffar mycket snabbare och till mycket lägre kostnad än vad som för närvarande är möjligt.
"Uppnå målet om minimalt invasiv, billiga regenererande hjärtklaffar kan ha enorm inverkan på patienternas liv över åldrar, sociala och geografiska gränser. Ännu en gång, vår gemensamma teamstruktur som kombinerar unik och ledande expertis inom bioteknik, regenerativ medicin, kirurgisk innovation och affärsutveckling över Wyss Institute och våra partnerinstitutioner, gör det möjligt för oss att avancera teknikutvecklingen på sätt som inte är möjliga i ett konventionellt akademiskt laboratorium, "sade Wyss Institute grundande direktör Donald Ingber, M.D., Ph.D., som också är Judah Folkman professor i vaskulär biologi vid HMS och Vascular Biology Program på Boston Children's Hospital, samt professor i bioingenjör vid SEAS.
