Topp:En slät och statisk yta efter exponering för blod blir nedsmutsad med blodplättar. Botten:En yta som skrynklar och plattar ut upprepade gånger när den utsätts för blod motstår nedsmutsning. Infällningar visar samma ytor vid lägre förstoring. Kredit:University of Pittsburgh
Under en koronar bypass-procedur, kirurger omdirigerar blodflödet med hjälp av ett autologt bypass-transplantat, härrör oftast från patientens egna vener. Dock, i vissa situationer där patienten inte har en lämplig ven, kirurger måste förlita sig på syntetiska kärltransplantat som, samtidigt som livräddar, är mer benägna att koagelbildning som så småningom hindrar transplantatet.
För att förbättra framgångsfrekvensen för syntetiska transplantat, ett forskarlag under ledning av University of Pittsburgh undersöker om de "aktiva rynkorna" på artärernas inre yta kan bidra till att förbättra syntetisk transplantatdesign och skapa ett bättre alternativ till autologa transplantat för bypasskirurgi.
Forskningen utförs av Sachin Velankar, docent i kemiteknik vid Swanson School of Engineering; Edith Tzeng, professor i kirurgi vid School of Medicine; och Luka Pocivavsek, en tidigare bosatt på kirurgiska avdelningen. Tillsammans med Pocivavsek, som nu är kärlkirurgistipendiat vid University of Chicago, Velankar och Tzeng hämtade inspiration från artärer för att hitta ett sätt att förbättra blodflödet i syntetiska transplantat.
"Den inre ytan av naturliga artärer, känd som den luminala ytan, är kraftigt skrynklig, ", sa Velankar. "Vi ville utforska effekterna av denna rynkning för att se om övergången från ett jämnt till skrynkligt tillstånd kommer att förhindra koagelbildning. Vi kallar detta dynamisk topografi."
Pocivavsek, Velankar, och Tzeng arbetade med ett team av Swanson School of Engineering-studenter för att skapa en modell för att testa idén att sådana "topografiska" ytförändringar kan spela en antitrombotisk roll. De tog också hjälp av William Wagner, Direktör för Pitt's McGowan Institute for Regenerative Medicine, vars labb har expertis om hur man mäter nedsmutsning – ansamling av oönskat material på ytor. Teamet upptäckte att ytor som upprepade gånger övergår mellan ett slätt till skrynkligt tillstånd motstår trombocytnedsmutsning, ett fynd som kan leda till trombosresistenta bypass-transplantat.
Utrustad med en strategi för att förbättra effektiviteten av syntetiska transplantat, Velankar och Tzeng är ivriga att tillämpa denna forskning på kliniska tillämpningar och fick en $454, 539 R56 utmärkelse från National Institutes of Health för att finansiera kliniskt översättningsarbete.
"Våra artärer expanderar och drar ihop sig naturligt, delvis driven av normala fluktuationer i blodtrycket under hjärtcykeln, " sa Tzeng. "Vår hypotes är att detta driver övergången mellan släta och skrynkliga luminala ytor i artärerna, och denna dynamiska topografi kan vara en viktig antitrombotisk mekanism i artärer. Vårt mål är att använda detta nya koncept med ett rent mekaniskt tillvägagångssätt för att förhindra nedsmutsning av vaskulära transplantat genom att använda hjärtslag som en drivmekanism."
De är också intresserade av att undersöka biomekaniken i den luminala rynkningen i faktiska artärer och fick nyligen en treårig, $341, 599 anslag från National Science Foundation för att fortsätta sin studie både in vivo och med djurexemplar. Genom en kombination av simulering och experiment, de hoppas få en bättre förståelse för den funktionella rollen av luminal rynkor.
"Vi vet att artärer verkar skrynkliga i ett mikroskop", sa Velankar. "Men vad är den underliggande biomekaniken? Och vad händer när artären inte är under ett mikroskop, men fortfarande bär blod i det levande djuret?"
Pocivavsek, Velankar, och Tzeng detaljerade nyligen sina forskningsresultat i en Biomaterial artikel med titeln "Active wrinkles to drive self-cleaning:A strategy for anti-thrombotic surfaces for vascular grafts" (DOI:10.1016/j.biomaterials.2018.11.005). Det är den första praktiska tillämpningen av konceptet som de beskrev tidigare i år i Naturfysik artikel med titeln "Topografidriven ytförnyelse" (DOI:10.1038/s41567-018-0193-x).
"Vi hoppas att vår nya strategi för att minska nedsmutsning kommer att leda till utvecklingen av medicinsk utrustning som kommer att förbättra behandlingen av skadade eller sjuka artärer, sa Velankar.
Övertygad om att deras forskning kan ge ett positivt resultat, gruppen skapade Aruga Technologies, ett spin-off företag från Pitt's Innovation Institute. Företaget har som mål att utveckla syntetiska kärltransplantat som kan användas för kirurgiska ingrepp, såsom en kranskärlsbypass.
