P1060362

go czasu jednak biolodzy i inżynierowie materiałowi poczynili znaczne postępy dzięki zdobyczom wiedzy i nowym technikom ze swoich dyscyplin. Na przykład w naszym laboratorium podstawy inżynierii odegrały kluczową rolę w wytworzeniu podłoża, które zachęca komórki serca i naczynia krwionośne do wzrostu nawet w martwej strefie zawału.

Podstawy problemu

zawał serca, potocznie zwany atakiem serca, zdarza się zwykle, gdy główne naczynie krwionośne zaopatrujące lewą komorę serca nagle zostaje zablokowane na przykład przez zakrzep. Część mięśnia sercowego traci wtedy zaopatrzenie w krew, a przez to również w tlen, co zabija kurczliwe komórki mięśniowe (zwane kardiomiocytami) i pozostawia obszar martwej tkanki. Rozmiar strefy zawału zależy od wielkości obszaru odżywianego przez zatkane naczynie krwionośne.

ką ani przewodzić sygnału elektrycznego, który pozwala komórkom serca zsynchronizować skurcze.

Przeszczepione komórki nie mogą się rozwijać w bliźnie pozawałowej, ponieważ zniszczony obszar pozbawiony jest niezbędnej naturalnej infrastruktury, która normalnie stanowi podłoże dla żyjących tam komórek. W zdrowej tkance ta substancja zewnątrzkomórkowa złożona jest z białek strukturalnych takich jak kolagen i cząsteczek złożonych cukrów (wielocukrów) takich jak siarczan heparanu. Substancja zewnątrzkomórkowa wytwarza czynniki wzrostu* i stanowi fizyczną podporę dla komórek.

Inżynierowie tkankowi, świadomi roli macierzy zewnątrz-komórkowej, długo poszukiwali idealnego substytutu, któ-ty mógłby być rusztowaniem dla rosnącej żywej tkanki. Taki materiał tworzyłby podłoże wspierające komórki, pozwalając im się rozwijać, dzielić i organizować w trójwymiaro-

WSZCZEPiONE KOMÓRKI nie mogą się rozwijać w bliźnie pozawałowej, ponieważ jest ona pozbawiona niezbędnej NATURALNEJ INFRASTRUKTURY.

Ponieważ komórki mięśniowe rzadko się dzielą, ocalałe kar-diomiocyty nie mogą namnożyć się w liczbie wystarczającej do zasiedlenia obszaru martwicy. Miejscowe komórki macierzyste, które w innych tkankach zachowują się jak komórki prekur-sorowe, czyli wytwarzają nowe komórki przez podział, trudno znaleźć w sercu i najwidoczniej nie potrafią same naprawić szkody. W konsekwencji martwe kardiomiocyty są zastępowane przez niekurczące się komórki tkanki łącznej. Zdrowe mio-cyty sąsiadujące z zawałem także mogą umierać, poszerzając w ten sposób strefę uszkodzenia. W miarę postępu tego procesu, zwanego przebudową, ściana komory serca w strefie zawału staje się cieńsza, w końcu się rozciąga [ramka na następnej stronie] łub nawet pęka.

W ostatnich latach naukowcy próbowali odbudować tkankę serca w strefie zawału, przeszczepiając do tego obszaru komórki macierzyste pochodzące z innych tkanek, na przykład szpiku kostnego czy mięśni szkieletowych. Nadzieję pokładali w tym, że komórki te albo zaadaptują się do otoczenia i zaczną produkować nowe kardiomiocyty, albo przynajmniej pobudzą jakąś naturalną zdolność serca do regeneracji. Niestety, badania kliniczne zakończyły się niepowodzeniem. Okazało się, że większość komórek macierzystych nie przeżywa transplantacji. Te, które przeżywają, mają skłonność do gromadzenia się na brzegach strefy zawału, ale nie udaje im się nawiązać fizycznego kontaktu z przylegającą zdrową tkan-

Przeglad / Naprawianie serc

■    Bliznowacenie mięśnia sercowego prowadzi do niewydolności krążenia u milionów pacjentów po zawale, jeśli uszkodzony obszar nie zostanie naprawiony lub zastąpiony nową tkanką.

■    Budowanie żyjącej tkanki wymaga biologicznego rozumienia zachowań komórek i inżynieryjnego mistrzostwa w chemii materiałowej.

i Inżynierowie tkankowi nauczyli się już pobudzać regenerację mięśnia sercowego in vivo i czynią z tej wiedzy użytek podczas budowania sprawnego czynnościowo mięśnia sercowego w laboratorium.

wą tkankę, podobnie jak w naturze. Rozwiązałoby to problem ucieczki przeszczepianych komórek ze zbliznowaconego obszaru. Ale po osiedleniu się i rozpoczęciu przez te komórki produkcji własnej macierzy zewnątrzkomórkowej, podło-że-rusztowanie powinno się rozłożyć, pozostawiając tylko zdrową tkankę. Najważniejsze byłoby zaś, aby podłoże umożliwiało, a nawet pobudzało szybkie unaczynienie się nowej tkanki. Naczynia krwionośne dostarczające tlen do komórek i odprowadzające produkty ich przemiany materii są warunkiem przetrwania komórek po przeszczepieniu do żyjącego gospodarza.

Pod koniec lat osiemdziesiątych jedno z nas (Cohen) miało przyjemność pracować z Robertem Langerem, pionierem inżynierii tkankowej [patrz: Robert S. Langer i Joseph P. Vacanti „Przyszłość inżynierii tkankowej*; Świat Nauki, czerwiec 1999], w jego laboratorium w Massachusetts Institute of Technology. W tamtych czasach już sam pomysł zbudowania żywej tkanki wielu odrzucało jako mrzonkę. Ponadto komórki zawsze były domeną biologów, a my jesteśmy inżynierami chemikami. Ale by! to czas przełomu w obu dyscyplinach: biolodzy zdobywali wiedzę o interakcjach między komórkami i materiałami, podczas gdy chemicy uczyli się wytwarzać polimery nowych typów. Przez następne 20 lat inżynierowie tkankowi wypróbowali wiele materiałów, zarówno syntetycznych, jak i naturalnych, aby stworzyć optymalną platformę wzrostu żywych komórek i ich rozwoju w funkcjonującą tkankę,

Najbardziej popularnymi syntetykami ulegającymi degradacji stały się polilaktyd - poliester cyklicznego dimeru kwasu mlekowego, poliglikolid - poliester dimeru kwasu glikolowego² oraz poliester obu tych dimerów, Chociaż materiały te okazały się generalnie bezpieczne dla człowieka, mąją kilka wad. Większość z nich jest hydrofobowa, a zatem żywe komórki nie mogą dobrze do nich przylegać. Podłoże wykonane z tych polimerów ma raczej tendencję do kruszenia się niż do powolnego rozkładu. Kwaśne produkty degradacji mogą wywoływać miejscowy stan zapalny tkanki, jak również wpływać na żywotność przeszczepionych komórek. Większości tych

26 ŚWIAT NAUKI GRUDZIEŃ 2004