Ocena potencjału wzrostu sztucznych zastawek serca otrzymywanych metodą inżynierii tkankowej
Sztuczne zastawki serca, takie jak zastawki mechaniczne i zastawki wykonane z tkanek, są co do zasady stosowane u pacjentów, u których naturalne zastawki nie funkcjonują prawidłowo. Mają one swoje wady i zalety. Trwałość obecnie stosowanych zastawek wykonanych z tkanek jest ograniczona, ponieważ nie są one zbudowane z żywej tkanki, która mogłaby się adaptować i regenerować. Chociaż, co do zasady, zastawki mechaniczne mogą działać długo, wymagają przyjmowania przez całe życie leków przeciwzakrzepowych i nie przystosowują się do zmian zachodzących w organizmie ani zmieniających się potrzeb. Ogranicza to możliwość wszczepiania zastawek pacjentom pediatrycznym, u których koniecznych jest wiele powtórnych operacji w związku z trwającym rozwojem somatycznym. Zastawki serca otrzymane metodą inżynierii tkankowej mają potencjał wzrostu i przebudowy, jednak ich wykorzystanie u pacjentów, zwłaszcza u dzieci, jest ograniczone przez niedostateczną znajomość zachodzących w sercu procesów wzrostu i przebudowy tkanek. Odkryto to w wielu badaniach przedklinicznych, w których zastawki otrzymane metodą inżynierii tkankowej traciły z czasem swoją funkcjonalność ze względu na niekorzystną przebudowę tkanki. Celem projektu G-Valve było poznanie mechanizmów wzrostu i przebudowy zachodzących w naturalnych ludzkich zastawkach serca i wykorzystanie tej wiedzy w celu przewidzenia potencjału wzrostu zastawek otrzymanych metodą inżynierii tkankowej. Mechanizmy mechanobiologiczne (procesy biologiczne stymulowane przez czynniki mechaniczne) oraz mechanizmy związane z adaptacją zastawek badano z wykorzystaniem połączenia mechaniki ośrodków ciągłych i biologii komórkowej. Pozwoliło to na opracowanie predykcyjnych modeli wzrostu zastawek. Modelowanie procesów adaptacyjnych zachodzących w układzie sercowo-naczyniowym „W celu zbadania procesów adaptacyjnych zachodzących w naturalnych zastawkach serca uzyskaliśmy dostęp do zestawu niepowtarzalnych danych eksperymentalnych obejmujących geometryczne i materiałowe właściwości zastawek aortalnych i płucnych osób w różnym wieku”, mówi dr Loerakker, koordynator projektu G-Valve. Częściowo we współpracy z prof. Ellen Kuhl z Uniwersytetu Stanforda i z wykorzystaniem analizy obliczeniowej obejmującej modele matematyczne i symulacje komputerowe odkryto, że wszystkie zastawki wydawały się ulegać w zbliżonym stopniu mechanicznemu rozciągnięciu spowodowanemu wiekiem oraz były poddawane swoistym dla ich lokalizacji obciążeniom hemodynamicznym. Co ważne, wyniki te sugerują, że naturalne ludzkie zastawki serca adaptują się poprzez uleganie określonego stopnia rozciągnięciu w całym okresie życia, które służy jako jeden z mechanicznych parametrów hemostatycznych. Dodatkowo w ramach projektu G-Valve opracowano model obliczeniowy ścieżki sygnałowej Notch, która odgrywa kluczową rolę w rozwoju i adaptacji układu sercowo-naczyniowego. „Opracowanie tego modelu obliczeniowego okazało się trudniejsze niż przypuszczano i wymagało więcej czasu niż początkowo zakładaliśmy”, dodaje dr Loerakker. Korzystając z danych eksperymentalnych, które wskazują na wrażliwość białek Notch na bodźce mechaniczne (mechanowrażliwość), jako danych wejściowych, model przewidział, że homeostaza tkanki może pojawić się lub zniknąć nagle, w zależności od zmian w jej geometrii. Odkrycie to wyjaśniło, dlaczego i w jaki sposób tkanki serca i naczyń mogą zacząć lub przestać się rozrastać, zależnie od opartej na mechanowrażliwości komunikacji pomiędzy komórkami. Wyniki tego badania opublikowano w czasopiśmie Proceedings of the National Academy of Sciences of the United States of America (PNAS). Sztuczne zastawki serca otrzymywane metodą inżynierii tkankowej, które wykazują długotrwały wzrost i funkcjonalność – Przyszłość W projekcie G-Valve uzyskano dane obliczeniowe dotyczące opartych na mechanowrażliwości procesów wysyłania i odbierania sygnałów pomiędzy komórkami w trakcie rozwoju i adaptacji tkanki. Odkrycia te zapewniły punkt wyjścia dla całkowicie nowego kierunku badań. Zespół badawczy jest przekonany, że umożliwi to opracowanie racjonalnego projektu tkanek układu sercowo-naczyniowego otrzymywanych metodą inżynierii tkankowej, które będą mogły rozrastać się i przebudowywać zgodnie z potrzebami pacjenta. To z kolei wpłynie na zwiększenie europejskiej doskonałości i konkurencyjności w dziedzinach biomechaniki i inżynierii tkankowej i zaowocuje długotrwałym wykorzystywaniem tkanek układu sercowo-naczyniowego otrzymywanych metodą inżynierii tkankowej, w tym w szczególności sztucznych zastawek serca (TEHV).
