In wenigen Minuten hergestellte Herzklappen steuern den Blutfluss unmittelbar nach der Implantation in Schafe

Nov 14, 2023

7. Juni 2023

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von Cell Press

Forscher haben eine Methode entwickelt, um innerhalb weniger Minuten kostengünstig Herzklappen herzustellen, die sofort nach der Implantation in Schafe funktionsfähig sind. „Focused Rotary Jet Spinning“ nennen die Wissenschaftler ihre Methode, die sie als „eine Zuckerwattemaschine mit einem Fön dahinter“ beschreiben. Obwohl langfristige In-vivo-Studien erforderlich sind, um die Haltbarkeit der Klappen zu testen, konnten sie den Blutfluss bei Schafen eine Stunde lang effektiv kontrollieren. Der Prototyp erscheint am 7. Juni in der Zeitschrift Matter.

„Die beiden großen Vorteile unserer Methode sind Geschwindigkeit und räumliche Genauigkeit“, sagt der Bioingenieur Michael Peters von der Harvard University, einer der Erstautoren der Studie. „Wir können wirklich kleine Fasern – im Nanomaßstab – erzeugen, die die extrazelluläre Matrix nachahmen, in der Herzklappenzellen normalerweise leben und wachsen, und wir können volle Klappen in wenigen Minuten drehen, im Gegensatz zu derzeit verfügbaren Technologien, die das dauern können.“ Wochen oder Monate dauern.“

Pulmonale Herzklappen bestehen aus drei teilweise überlappenden Klappen, die sich bei jedem Herzschlag öffnen und schließen. Sie sind für die Kontrolle des einseitigen Blutflusses durch das Herz verantwortlich. Bei jedem Schlag öffnen sie sich vollständig, damit das Blut nach vorne fließen kann, und schließen sich dann vollständig, um zu verhindern, dass das Blut nach hinten fließt.

Um die Ventile herzustellen, leiten die Forscher flüssiges Polymer mithilfe von Luftstrahlen auf einen ventilförmigen Rahmen, wodurch ein nahtloses Geflecht aus winzigen Fasern entsteht. Die Klappen sind als temporäre und regenerierende Funktion konzipiert: Sie bieten ein poröses Gerüst, in das Zellen eindringen, darauf aufbauen und schließlich ersetzen können, wenn das Polymer biologisch abgebaut wird.

„Zellen arbeiten auf der Nanometerskala, und der 3D-Druck kann nicht bis zu dieser Ebene reichen, aber fokussiertes Rotationsstrahldrehen kann dort räumliche Hinweise im Nanometermaßstab setzen, so dass sich Zellen, wenn sie in dieses Gerüst hinaufkriechen, so anfühlen, als ob sie dort wären.“ in einer Herzklappe, nicht in einem synthetischen Gerüst“, sagt der leitende Autor und Bioingenieur Kit Parker von der Harvard University. „Da steckt eine gewisse Trickserei dahinter.“

Das Team testete die Stärke, Elastizität und Fähigkeit der Ventile, sich wiederholt zu öffnen und zu schließen, mithilfe eines Pulsduplikators, einer Maschine, die den Herzschlag simuliert.

„Eine normale Herzklappe funktioniert ein Leben lang Milliarden von Zyklen, sodass sie ständig gezogen, gedehnt und stimuliert wird“, sagt Peters. „Sie müssen sehr elastisch sein und trotz dieser mechanischen Reize ihre Form behalten, und sie müssen auch stark genug sein, um dem Gegendruck des Blutes standzuhalten, das versucht, nach hinten zu fließen.“

Sie ließen auch Herzzellen auf den Klappen wachsen, um deren Biokompatibilität zu testen und um zu sehen, wie gut Zellen in die Gerüste eindringen können. „Klappen stehen in direktem Kontakt mit Blut, daher müssen wir prüfen, ob das Material keine Thrombose oder Verstopfung der Blutgefäße verursacht“, sagt die Biophysikerin Sarah Motta, die andere Erstautorin der Studie, die an der Harvard University und der Universität arbeitet von Zürich.

Schließlich testeten die Forscher die unmittelbare Funktionsfähigkeit der Klappen bei Schafen, die aus mehreren Gründen ein gutes Tiermodell sind: Die physikalischen Kräfte im Herzen von Schafen und Menschen sind ähnlich, und Schafherzen stellen aufgrund der Herzklappenerkrankung von Schafen auch eine „extreme“ Umgebung für Herzklappen dar beschleunigter Kalziumstoffwechsel, der ein erhöhtes Risiko für die Bildung von Kalziumablagerungen birgt, eine häufige Komplikation bei Herzklappenempfängern.

Chirurgen implantierten die Klappen in zwei Schafe und überwachten eine Stunde lang ihre Position und Funktion mittels Ultraschall. Beide Klappen wurden erfolgreich implantiert und waren sofort funktionsfähig, aber die Klappe eines Schafes löste sich nach ein paar Minuten – die Forscher gehen davon aus, dass dies daran lag, dass sie die falsche Größe für das Tier hatte. Beim zweiten Schaf zeigte die Klappe eine Stunde lang eine gute Funktionsfähigkeit, und die Post-Mortem-Analyse zeigte, dass es keine Komplikationen in Form von Rissen oder Thrombusbildung gab und dass Zellen bereits begonnen hatten, in die Klappe einzudringen und daran zu haften.

Als nächstes plant das Team, die Leistung der Ventile über einen längeren Zeitraum und an mehr Schafen zu testen. „Wir wollen sehen, wie gut unsere Klappen über einen Zeitraum von Wochen bis Monaten funktionieren und wie effektiv und schnell die Zellen und Gewebe der Schafe das Gerüst tatsächlich umbauen“, sagt Peters.

„Es ist eine lange Arbeit, etwas zu entwickeln, das einem menschlichen Patienten verabreicht werden kann, und es sollte langwierig sein“, sagt Parker. „Man muss viele Tiere behandeln, bevor man einem Menschen etwas gibt.“

Mehr Informationen: Kevin Kit Parker, On Demand Heart Valve Manufacturing Using Focused Rotary Jet Spinning, Matter (2023). DOI: 10.1016/j.matt.2023.05.025. www.cell.com/matter/fulltext/S2590-2385(23)00243-6