211service.com
Träsko-busters
Små, konstgjorda blodkärl är tänkta att ge hopp till patienter med hjärtbypass. Problemet är att dessa små syntetiska kärl tenderar att täppas till. Nu, biomedicinsk ingenjör Donald Elbert och hans team vid Washington University, i St. Louis, har utvecklat ett nytt material designat för att lura kroppen att bygga kärl från sina egna celler.
Washington Universitys bioingenjörer föreställer sig att gelen på bilden här en dag kommer att lösa ett koaguleringsproblem i små, konstgjorda blodkärl. Gelen, gjord av proteinfragment (blå rektanglar), blodproteinet albumin (grå tofsar), en signallipid (gula fläckar) och en syntetisk polymer (blå stjärnor), skulle coaxera endotelceller (grå klump), som kantar människan blodkärl, för att kolonisera insidan av konstgjorda kärl.
Roten till igensättningsproblemet är termodynamiken, säger Elbert. När ett kärl är gjort av modifierat teflon – eller något annat än kroppens egna celler – koagulerar proteiner i blodet in i kärlväggarna, fastnar, vecklas ut och blir aktiva, vilket sätter igång koaguleringsreaktioner. Blodpropparna är för små för att blockera stora kärl, och i själva verket är Teflon aorta vanliga. Men i kärl som är smalare än sex millimeter i diameter, gör proppar träskor. Följaktligen kan hjärt-bypasspatienter inte få små konstgjorda kärlimplantat. Istället måste små kärl skördas från patientens kropp så att blodet kan ledas om. Detta är en extra operation, och så småningom kan patienten få slut på kärl för att skörda.
Multimedia
ANIMATION: Endotelceller på gel
Elberts lösning är en ny beläggning för insidan av konstgjorda kärl. Den är främst gjord av ämnen som finns i människokroppen. Polyetylenglykol, den enda syntetiska ingrediensen, är en flerarmad polymer som används i tandkräm och schampo. När det utsätts för blod stöter det bort nästan alla koaguleringsproteiner som försöker hålla sig till det. Albumin, ett blodprotein, ingår för att binda samman polyetylenglykoler. Polyetylenglykols armar länkar till två biologiskt aktiva ingredienser. En av ingredienserna är ett proteinfragment som fungerar som kardborreband och binder endotelceller, som kantar mänskliga blodkärl, till det konstgjorda fodret. Den andra bioaktiva ingrediensen är ett enzym som finns i blodet som kan ta upp ett fettämne, eller lipid, från blodomloppet och omvandla det till en lipid som kallas sfingosin-1-fosfat som skickar tillväxt- och överlevnadssignaler till endotelceller.
Att göra hopkoket är enkelt, säger Elbert. Alla ingredienser blandas i vatten och får stå över natten. På morgonen bildar de en gel.
Elbert föreställer sig att ett syntetiskt transplantat fodrat med beläggningen sedan skulle kunna sys in i ett befintligt blodkärl. Polyetylenglykol skulle stöta bort de flesta koagulerande proteiner under en tid. Under tiden skulle enzymet göra och frigöra lipiden som signalerar endotelceller, vilket uppmuntrar dem att växa på transplantatets kanter. Proteinfragmenten skulle hålla cellerna på ytan. Gelén skulle frigöra mer lipid, vilket signalerar cellerna att dela sig och kolonisera. Efter en månad eller två skulle hela transplantatets inre yta förhoppningsvis vara fodrad med ett lager av celler, säger Elbert. Cellerna skulle utsöndra kemikalier för att hindra koagulering, som de gör naturligt i kroppen.
Andra forskare bekämpar koaguleringsproblemet på olika sätt, konstaterar Elbert. Många människor försöker göra blodkärl genom vävnadsteknik, säger han. Vävnadsingenjörer tar bort celler från en patients kärl, odlar dem på ett poröst rör och vårdar strukturen tills den är tillräckligt stark för att återimplantera. Blodproppar täpper inte till dessa kärl eftersom de är fodrade med endotelceller. Det fungerar, säger Elbert. Men att odla ett mänskligt blodkärl i ett labb är långsamt och otroligt dyrt. Och kärlen kan vara ömtåliga – blodflödet kan slita av celler och orsaka koagulering. Andra har provat att göra syntetiska kärl av koagelresistenta material. Dessa är billiga och robusta. Och de motstår blodproppar under en tid. Men efter flera år kan de täppa till. Ingen av metoderna har lyckats fullt ut på djur.
Till skillnad från andra alternativ, säger Elbert, skulle kärl fodrade med hans teams material vara billiga, enkla, hållbara, koagulerande och icke-immunogena. Hittills har hans gel klarat några inledande tester i laboratoriet. Endotelceller migrerar snabbt ovanpå gelén. Cellerna håller fast vid det, även inuti en flödeskammare, som simulerar skjuvkraften av blodflödet.
Elbert tillägger att hans teams gel också kan hjälpa kroppen att utveckla nya kärlnätverk. Hönsäggshinnor som behandlats med det växte fram nya vävar av kärl. Man skulle kunna tänka sig att lägga materialet bredvid hjärtat efter en hjärtinfarkt, så att lipiden diffunderar in i hjärtväggen och bildar nya kärl som skulle hjälpa hjärtat att överleva, säger han.
Det är alldeles för tidigt att veta hur Elberts kärl eller gel kommer att fungera i människokroppen, varnar Robert Langer , professor i kemisk och biologisk teknik vid MIT. Många formuleringar har sett lovande ut i labbet, bara för att misslyckas hos djur, säger han. Nyckeln är djurstudier, särskilt grisar.
Säkerhet är också ett bekymmer, tillägger Omolola Eniola-Adefeso , biträdande professor i kemiteknik vid University of Michigan. Hon oroar sig för att Elberts lipid, som skickar många signaler i kroppen, kan störa normala kroppsprocesser.
Man måste vara extremt försiktig, instämmer Elbert. Stora mängder av lipiden kan undertrycka immunförsvaret och utlösa celldöd. Han planerar att bestämma hur mycket han kan leverera för att stimulera endotelceller utan att överbelastas. Testerna kommer att börja på djur 2007 och fortsätta i minst fyra år, säger han.
När det gäller koaguleringsproblemet är det lika många ingenjörer som arbetar med det som det finns bioteknikavdelningar över hela landet, säger Eniola-Adefeso. Hittills, säger hon, är Elberts mest lovande tillvägagångssätt.