运用中年岁至期頣年人的干细胞构建出正规的心

--来自加拿大多伦多大学的研究人员发现一种培养心脏组织的新方法就是通过加入细胞因子将衰老的干细胞转化为像更加年轻的干细胞那样发挥作用的细胞。这项发现可能有朝一日能够让科学家们利用年老病人自己的干细胞培养心脏组织补片(cardiac patch)来修复受损或患病的心脏,同时避免免疫排斥的风险。相关研究结果于2012年11月发表在Journal of the American College of Cardiology期刊上。

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多伦多大学化学工程与应用化学系副教授、生物材料与生物医学工程学院(Institute of Biomaterials and Biomedical Engineering, IBBME)功能性心血管组织工程加拿大首席科学家Milica Radisic声称,涉及捐献的骨髓干细胞的干细胞疗法在部分病人群体中有产生免疫排斥的风险。

美国杜克大学生物医学工程师创造出人造心脏肌肉

一种避免免疫排斥风险的方法就是使用病人自己的细胞。但是直到现在,利用年老病人自己的细胞开展的临床试验并不是一种较好的选择,这是因为衰老的细胞往往不像来自年轻病人的细胞那样发挥正常的功能。这正是Radisic和她的同事Ren-Ke Li博士正想要解决的问题。

美国杜克大学的生物医学工程师创造出了功能完善的人造心脏肌肉,足以弥补受到心脏病发作的患者的典型损伤。这一进展朝着修复死亡心肌的最终目标迈进了一大步。

研究人员首先利用多孔的胶原支架(porous collagen scaffold)构建一种能够培养心脏组织的微环境,并加入年老病人捐献的干细胞。他们然后加入两种促进血管形成的细胞因子---血管内皮生长因子和碱性成纤维细胞生长因子---来活化这些干细胞。随后,他们追踪了这些干细胞的变化,结果发现一些衰老因子(特别是p16和RGN)被关闭,从而有效地让它们恢复到更加年轻和健康的状态

该研究发表于在《自然通讯》网站。

杜克大学生物医学工程博士生Ilya Shadrin说:“几乎所有现有的治疗方法都是为了减轻对心脏造成的伤害,没有办法能够代替失去的肌肉,因为一旦心脏上的肌肉一旦死亡了,它就不会重新生长。我们正在研究用身体外组织来代替失去心脏肌肉的方法。”

与其它人体器官不同,心脏病发作后,心脏肌肉不能再生。死亡的心肌经常被疤痕组织代替,这些组织不能再传输电信号或收缩,而这两者都是心脏跳动顺利进行所必需的。

心肌死亡的最终后果便是心脏衰竭,全世界有大约有1200多万名人患有心衰疾病。Shadrin和团队正在开发的新治疗方法有望预防心力衰竭及其致死的并发症。

目前的临床试验正在测试用来自骨髓,血液或心脏本身的干细胞直接注射到受影响部位,试图修复一些受损的心脏肌肉。似乎有一些些治疗效果,但只有不到百分之一的注射细胞存活并留在心脏,甚至成为心肌细胞的数量更少。

另一方面,科学家利用心脏贴片植入到死亡的肌肉上,并长时间保持活动状态,为心脏收缩提供更多的力量,并为心脏的电信号通过提供一个平滑的路径。这些贴片补丁还分泌酶和生长因子,可以帮助恢复尚未死亡的受损组织。

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人造心脏贴片与原生心脏组织一样强大和电活跃

不过,为了使这种方法起作用,心脏贴片必须足够大,以覆盖受影响的组织。它也必须与原生心脏组织一样强大和电活跃,否则这种差异会导致致命的心律不齐。

这是第一个人类心脏补丁,其中的细胞为人类多能干细胞,这种细胞可以变成身体内任何类型的生长细胞。Shadrin的团队已经成功地使用了许多不同的人类干细胞系,其中包括那些来源于胚胎和那些被人为地强迫或“诱导”进入其多能状态的细胞系。

这些干细胞能够生长出各种类型的心脏细胞:比如心肌细胞,负责肌肉收缩的细胞;成纤维细胞,它可以为心脏组织提供结构框架的细胞;内皮和平滑肌细胞形成血管的细胞。研究人员将这些细胞以特定比例放置在果冻状物质中,在那里,它们将自我组织并长成有功能的组织。

寻找正确的细胞组合,支持结构,生长因子,营养素和培养条件来培养人体心脏组织的大型,功能齐全的组织已经花费科学家多年时间。每个容器和程序都必须从头开始设计和设计。目前的进展是,Shadrin的团队成功将心脏贴片扩大到了16平方厘米和5到8个单元厚。测试表明,贴片中的心脏肌肉功能完全,具有类似于正常,健康成人心脏的电,机械和结构特性。

要做到这一点非常困难,因为生长的组织越大,保持整个组织的性能就越难。同样具有挑战性的是使组织在五周的快速间成熟到成人的心肌的力量水平,人的心脏肌肉达到这一水平通常需要几年的正常发育时间。

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如果要应用于人类心脏,贴片厚度必须加厚并实现血管化

下一步,科学家将持续研究心脏贴片生长,使其血管化,并维持它们们的功能,然后先植入老鼠的心脏进行实验。人类心脏的肌肉厚度比老鼠心脏肌肉厚很多,如果要将心脏贴片来替代人类患者的死亡心肌,需要厚得多的组织需要被血管化,使得内部的细胞可以获得足够的氧气和营养。研究人员也必须弄清楚如何将心脏贴片与现有的肌肉充分结合。这样的完全整合是非常重要的,不仅仅是为了改善心脏的机械泵送,而且还要确保电波的顺利传播,并尽量减少心律失常的风险。

这项研究获得了美国国立卫生研究院为期7年,总数达到860万美元研究资金的资助。杜克大学的科学家也在与伯明翰阿拉巴马大学的研究人员合作,开发程序,将心脏贴片整合到猪心当中。威斯康星大学麦迪逊分校的另一个附属研究小组则正致力开发改进的干细胞,以创造构成这些心脏贴片的主要细胞类型,希望尽可能减少心脏对人造组织免疫排斥。

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