数分で作られた心臓弁が血液の流れを制御

セルプレス

ビデオ: これは、人工心臓弁 (集束ロータリー ジェット スピニングを使用して製造) の開閉を示すビデオです。もっと見る

クレジット: Sarah Motta と Christophe Chantre

研究者らは、羊に移植するとすぐに機能する心臓弁を数分で安価に製造する方法を開発した。 科学者らはこの方法を「集中ロータリージェットスピニング」と呼んでおり、これを「後ろにヘアドライヤーが付いた綿菓子製造機」と表現している。 弁の耐久性をテストするには長期間の生体内研究が必要ですが、羊の場合、弁は1時間効果的に血流を制御しました。 プロトタイプは 6 月 7 日に雑誌 Matter に掲載されます。

「私たちの方法の 2 つの大きな利点は、速度と空間忠実度です」と、この研究の最初の著者の 1 人であるハーバード大学の生物工学者マイケル ピーターズ氏は述べています。 「私たちは、心臓の弁細胞が内部で生きて成長するのに慣れている細胞外マトリックスを模倣した非常に小さな繊維をナノスケールで作成することができ、現在利用可能な技術とは対照的に、完全な弁を数分で回転させることができます。作るのに数週間か何か月もかかります。」

肺心臓弁は、部分的に重なった 3 つの弁尖で構成されており、心拍ごとに開閉します。 それらは心臓を通る一方向の血流を制御する責任があります。 拍動するたびに、血液が前方に流れるように完全に開き、血液の逆流を防ぐために完全に閉じます。

バルブを製造するために、研究者らはエアジェットを使用して液体ポリマーをバルブの形をしたフレーム上に送り込み、その結果、小さな繊維の継ぎ目のない網目構造が得られる。 バルブは一時的かつ再生可能であるように設計されており、細胞が浸潤し、その上に構築され、ポリマーの生分解に伴って最終的には置き換わるための多孔質の足場を提供します。

「細胞はナノメートルスケールで動作しており、3Dプリンティングではそのレベルにまで到達することはできませんが、集中的にロータリージェットを回転させることで、そこにナノメートルスケールの空間的手がかりを与えることができ、細胞がその足場に這い上がるときに、まるで自分がいるかのように感じることができます」合成足場ではなく、心臓弁に組み込まれているのです」とハーバード大学の上級著者で生物工学者のキット・パーカー氏は言う。 「そこにはある策略が関係しているのです。」

研究チームは、心臓の鼓動をシミュレートする機械であるパルスデュプリケーターを使用して、弁の強度、弾力性、繰り返し開閉する能力をテストしました。

「正常な心臓弁は、生涯を通じて何十億サイクルも機能するため、常に引っ張られ、伸ばされ、刺激され続けています」とピーターズ氏は言う。 「それらは非常に弾力性があり、これらの機械的刺激にもかかわらずその形状を維持する必要があり、また、逆流しようとする血液による背圧に耐えるのに十分な強度も必要です。」

彼らはまた、弁上で心臓細胞を増殖させ、生体適合性をテストし、細胞が足場にどの程度浸透できるかを確認しました。 「弁は血液と直接接触するため、その材料が血栓症や血管の閉塞を引き起こさないことを確認する必要があります」と、この研究のもう一人の筆頭著者でハーバード大学に勤務する生物物理学者サラ・モッタ氏は言う。チューリッヒの。

最後に研究者らは、いくつかの理由から優れた動物モデルであるヒツジで弁の即時機能をテストした。ヒツジと人間の心臓内部の物理的な力は類似しており、ヒツジの心臓はヒツジの心臓弁の「極端な」環境でもある。カルシウム代謝の促進により、心臓弁移植者にとって一般的な合併症であるカルシウム沈着物が発生するリスクが高まります。

外科医らは２頭の羊に弁を移植し、超音波を使用して弁の位置と機能を１時間監視した。 両方の弁は移植に成功し、すぐに機能しましたが、1頭の羊の弁は数分後に外れました。研究者らは、これは動物にとって不適切なサイズであったために起こったと考えています。 2頭目の羊では、弁は1時間にわたって良好な機能を示し、死後分析の結果、裂傷や血栓形成に関する合併症はなく、すでに細胞が浸潤して弁に付着し始めていることが示された。

次にチームは、より長期間にわたって、より多くの羊でバルブの性能をテストする予定です。 「私たちは、数週間から数か月のスケールで私たちの弁がどの程度うまく機能するのか、そして羊の細胞や組織が実際にどのくらい効果的かつ迅速に足場を再構築しているのかを知りたいのです」とピーターズ氏は言う。

「人間の患者に投与するものを開発するのは長い道のりであり、長くかかるはずです」とパーカー氏は言う。 「人間に何かを取り入れる前に、たくさんの動物を実験しなければなりません。」

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マター、モッタ、ピーターズら。 「集中ロータリージェットスピニングを使用したオンデマンド心臓弁製造」、https://www.cell.com/matter/fulltext/S2590-2385(23)00243-6 DOI: 10.1016/j.matt.2023.05.025

この研究は、ジョン A. ポールソン工学大学院からの資金提供によって支援されました。

ハーバード大学の応用科学、ハーバード大学の生物インスピレーション工学研究所、ハーバード マテリアルズ リサーチ、欧州研究評議会、およびスイス国立科学財団。

Cell Press が発行する Matter (@Matter_CP) は、多分野にわたる革新的な材料科学研究のための新しいジャーナルです。 論文では、基礎から応用、ナノからマクロに至るまで、材料開発の領域全体にわたる科学の進歩を調査しています。 https://www.cell.com/matter にアクセスしてください。 Cell Press のメディア アラートを受信するには、[email protected] までご連絡ください。

案件

10.1016/j.matt.2023.05.025

実験研究

動物

集中ロータリージェットスピニングを使用したオンデマンド心臓弁製造

2023 年 6 月 7 日

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