Frankenstein doktornő szíveket épít

2013.08.01. 11:51

A beültetésre alkalmas szívek súlyos hiányát egy csapásra megoldaná, ha lombikban, alkotórészeiből lehetne felépíteni a szervet. A lehetőségek határait feszegető munka első lépéseit megtették, bár az emberi alkalmazásra még biztosan sokat kell várni.

Doris Taylor, a Texas Heart Institute helyreállító orvostani kutatórészlegének vezetője nem tekinti sértésnek, ha Frankenstein doktornőnek aposztrofálják. "Ez az egyik legnagyobb bók, amit valaha kaptam. Lássuk be, az összehasonlítás nem alaptalan" - mondta a kutatónő a Scientific Americannek. Szerinte a közvélemény által ráaggatott név pusztán azt tükrözi, hogy az intézetben végzett kísérletekkel a lehetőségek határait feszegetik. Az asszociáció tényleg nem távoli, hiszen a kutatócsoport friss halottakból nyert szívekkel és tüdőkkel dolgozik, amelyeket friss sejtekkel telepítenek be, és megpróbálják őket újból életre kelteni - hogy egyszer majd valaki másban dobogjanak és lélegezzenek.

Dr. Doris TaylorForrás: University of Minnesota Alumni Association

Megváltás lenne a sorozatgyártás

A Taylor által irányított élvonalbeli munkacsoport erőfeszítései teljes szervek előállítására irányulnak. Céljuk olyan beültethető szervek létrehozása, amelyeket a páciens szervezete a kilökődés veszélye nélkül befogad. Az elképzelés elvben egyszerű: eltávolítani a sejteket egy halott szervből - amelynek nem is kell feltétlenül emberből származnia -, majd a visszamaradt fehérjevázat a beteghez immunológiailag illeszkedő őssejtekkel benépesíteni.

Csakhogy a procedúra a gyakorlatban hatalmas kihívások elé állítja a tudományt. A kutatók értek már el némi sikert az üreges, viszonylag egyszerű felépítésű szervek terén - mint a légcső vagy a húgyhólyag -, de a veséhez vagy a tüdőhöz hasonló tömör szervek újraépítéséhez többtucatnyi sejttípust kellene precíz térbeli mintázatban elrendezni, az őket ellátó gazdag érhálózat kimunkálásáról nem is beszélve. Az újonnan fabrikált szervnek mindemellett sterilnek kell lennie, együtt kell tudnia nőni egy esetleges fiatal pácienssel, és apróbb sérülések után legalább névleg képesnek kell lennie önmaga helyreállításra. De ami a legfontosabb: működnie kell, méghozzá lehetőleg élethossziglan.

A vese és a máj után a szív a harmadik legkeresettebb szerv az átültetési várólistákon, ám mind transzplantációs, mind "szövetmérnöki" szempontból különösen problematikus. Naponta mintegy 7000 liter vért kell átpumpálnia magán, folyamatos üzemben, biztonsági tartalék nélkül. Kamráinak falát és billentyűit több különböző sejtféleség alkotja; tömegének nagyját a magas fokon specializált szívizomsejtek adják. Az átültetésre alkalmas donorszívek pedig ritkák, mert a szóba jöhető szervek általában károsodnak az alapbetegség vagy az újraélesztési próbálkozások következtében. Ezért a beültethető szívek szövetmérnöki úton, sorozatban történő előállítása megváltás volna a transzplantációra váró betegek ezrei számára.

A 3D-s nyomtatás nem elég

Taylor szerint, aki az elsők között ültetett be sikerrel mesterségesen létrehozott szívet patkányokba, a feladat végső soron megoldható, ha nem lesz is egyszerű. Más szakértők kevésbé optimisták: Paolo Macchiarini, a stockholmi Karolinska Intézet mellkasi sebésze például úgy vélekedik, hogy az egyszerű csöves szervek, pl. légcső, nyelőcső, vagy artériák mesterséges helyettesítése, amit ő maga is sikerrel végzett emberen, hamarosan rutinná válhat, ám az összetettebb szervek pótlását nem igazán tartja megoldhatónak. Ezzel együtt Alejandro Soto-Gutiérrez, a Pittsburghi Egyetem sebész-kutatója úgy látja, az erőfeszítés akkor sem hiábavaló, ha végül kudarccal végződik, hiszen próbálkozás közben rengeteget tanulhatunk a kísérleti rendszerekből, egyebek mellett a szív sejtszintű felépítéséről, és arról, hogy ezt az architektúrát miként lehet helyreállítani a szerv károsodása esetén.

A biológusok már több mint egy évtizede képesek petricsészében tenyésztett embrionális őssejteket dobogó szívizomsejtekké alakítani, amelyek némi külső elektromos ingerlés hatására órákon át összehangolt összehúzódásokat hajtanak végre. Ám hogy a petricsészében rángatózó szövetcsomóból valódi dobogó szív legyen, egy térbeli vázszerkezetre van szükség, amely szívvé szervezi a sejtek halmazát. Lehetséges, hogy a jövőben az effajta vázak - a bonyolultabbak is - előállíthatók lesznek háromdimenziós nyomtatás segítségével. A szívéhez foghatóan összetett térbeli szerkezetek azonban belátható időn belül nem lesznek ezzel a technikával megközelíthetők, hiába válnak a gépek is egyre kifinomultabbakká. Különösen igaz ez a hajszálerek finom hálózatára, amelynek oxigénnel és tápanyagokkal kell ellátnia a szív minden egyes sejtjét, a szövet legmélyén megbújókat is.

Szellemszívekkel kezdik

Úgyhogy a szívépítők egyelőre kénytelenek arra hagyatkozni, amit a természet már létrehozott: valódi szívekből állítják elő a vázszerkezetet. Ez oly módon történik, hogy a halottból eltávolított friss szívet egy átlátszó kamrába helyezik, és a főverőérre pumpát csatlakoztatnak. A nyomáskülönbség hatására az aorta billentyűje elzáródik, így a pumpából egy szappanszerű anyag lassú, de folyamatos áramlással azokba az erekbe préselődik, amelyek hajdan a szív izomzatát táplálták. Nagyjából egy hét leforgása alatt a szappan eltávolít szinte mindent: a sejthártyákat, a DNS-t, az oldható fehérjéket, a cukrokat és szinte valamennyi sejtes összetevőt; kizárólag a hosszú, fonálszerű fehérjékből álló sejt közötti állományt hagyja épen.

SzívátültetésForrás: RIA Novosti/Igor Zarembo

Az ily módon előálló "szellemszívnek" nem kell emberből származnia. A sertésszív ígéretes, mert tartalmazza az összes lényeges sejtközöttiállomány-összetevőt, miközben nem kell tartani attól, hogy emberi kórokozókat hordoz. További előnye, hogy a sertésszíveket a korábban fennállt esetleges betegség vagy az újraélesztés művelete nem károsíthatta. És hát sertésszívből - nem úgy, mint emberi szervekből - kifogyhatatlan a kínálat.

A szakértők szerint a vázkészítés titka abban rejlik, hogy pont a megfelelő mértékben kell a szövetet feloldani. Ha a szappanos kezelés elégtelen, egyes sejtes alkotók rajta maradhatnak a vázon, és kilökődést válthatnak ki a befogadó szervezetben. A túl erőteljes mosás pedig azoknak a kulcsfontosságú faktoroknak az elvesztéséhez vezethet, amelyek a megtelepedni próbáló sejteket instrukciókkal látnák el.

Persze a sejtekkel való betelepítés feladata is számtalan kelepcét tartogat. Senki sem tudja, mi volna a legmegfelelőbb sejttípus: érett szívizomsejtek, embrionális őssejtek vagy esetleg szöveti sejtekből embrionálissá visszaprogramozott, ún. indukált pluripotens őssejtek, iPS-ek? Az érett szívizomsejtekkel az a legfőbb gond, hogy nem lehet őket osztódásra bírni - ha lehetne, az egész probléma nem létezne, hiszen a károsodott szívek maguktól meggyógyulnának. A területen dolgozó kutatók általában többféle sejttípus keverékét alkalmazzák: részint olyanokat, amelyek az ereket bélelő endotélsejteket hozzák létre, részint olyanokat, amelyek nem érett szívizomsejtek még, de osztódás után azzá fognak alakulni. Mindkettőt a legpraktikusabb iPS-sejtekből létrehozni, ezek ugyanis a beteg saját sejtjeiből is kialakíthatók, így áthidalható az immunológiai összeférhetetlenség problémája.

Mekkora legyen az új szív?

Az iPS-alapú megközelítés elvben valamennyi szükséges sejttípust szolgáltathatná; az ereket formáló sejteket éppúgy, mint a szívizomsejtek különféle altípusait. A gyakorlatban nyilván ez sem ilyen egyszerű. A nehézségek ott kezdődnek, hogy mekkorának is kell lennie egy emberi szívnek. Nem egymillió sejtről van ugyanis szó - ilyen mennyiséget könnyedén elő lehet állítani a petricsészében -, hanem százmilliókról, sőt inkább milliárdokról. És egyelőre semmi sem garantálja azt sem, hogy az iPS-sejtek épp a megfelelő sejtféleségekké fognak alakulni, amikor érintkezésbe kerülnek a szívvázszerkezettel, és megkísérlik újra lejátszani az embrionális fejlődést.

Amikor megtelepednek a vázon, az éretlen sejtek növekedésnek indulnak - de nem elég őket oxigénnel és az érésüket serkentő fehérjefaktorokkal ellátni. A sejtek ugyanis a környezetüket a maga teljességében, komplex módon érzékelik: nemcsak annak kémiai összetételét, de a szövet mechanikai tulajdonságait, és az őket érő erőhatásokat is. Csak ha valamennyi mutató megfelel az elvárásaiknak, akkor számíthatunk arra, hogy a sejtek valódi szívizommá érnek.

Az orvosok a műtőben dolgoznakForrás: RIA Novosti/Igor Zarembo

A formálódó szívet ezért olyan bioreaktorba kell helyezni, amely a dobogást is szimulálni tudja. A világ egyik vezető laborjában, a Massachusetts-i Általános Kórház Harald Ott irányította kutatócsoportjában ezt részben a szerv elektromos stimulálásával érik el, ami szinkron összehúzódásra késztetni a sejteket, és ezenkívül még egy pumpával is rásegítenek a mozgásra. A technika kimunkálása nem ment egyszerre: az eleinte előállított patkányszívek a valódi szerv pumpálási kapacitásának csupán 2 százalékát tudták elérni, de jelenleg már 25 százaléknál tartanak.

Állatokban már próbálkoznak

Bármilyen, lombikban életre varázsolt szerv végső próbája a beültetés lesz - és talán ez az a lépés, amely a legtöbb potenciális buktatóval terhes. Az érhálózat épsége az első próbatétel: ha a váznak csak egy parányi felülete is csupaszon marad, rögtön vérrög képződik, ami mind a szerv, mind a befogadó szervezet számára végzetes lehet. Harald Ott csoportja már bizonyította, hogy a beültetett szervek valameddig kibírhatják vérrögképződés nélkül. Egy alkalommal sikerült működőképes tüdőt patkányba ültetniük, amely ideig-óráig alkalmas volt a gázcserére, bár a légzőtérfogata elég hamar megtelt szöveti folyadékkal. Egy ízben mesterségesen létrehozott vesét is ültettek patkányba, amely szintén megúszta a rögképződést, csak nemigen képzett vizeletet, talán mert túl kevés erre alkalmas struktúra fejlődött benne. Végezetül próbálkoztak szív beültetésével is - igaz, egyelőre csak az állat működő saját szíve mellé másodikként, valamilyen egyéb testtájra műtötték. Már azt is sikernek könyvelték el, hogy a szívet össze tudták kapcsolni az állat keringésével, így a szövet táplálása rendben zajlott, sőt egy ideig még dobogásra is lehetett bírni; attól azonban egyelőre nagyon messze vannak, hogy a műszív valódi pumpafunkciót lásson el.

Bár a mesterséges szív ügyében pillanatnyilag ott áll az új technika, ahol a szívátültetésé tartott jó pár évtizeddel ezelőtt, talán egyszerűbb lesz a tudósok dolga azokban az esetekben, amikor nem egy teljes szervet, csak annak egy részét kell helyreállítani. Ilyenkor a szerv meglévő szövetei - megfelelő állványzat jelenlétében - maguk végzik el a benépesítés feladatát. A terület szakértői arra számítanak, hogy 5-7 éven belül egy-egy artéria, illetve tüdő- vagy májlebeny pótlása már nem fog rendkívülinek számítani. Hasonlóképpen csak részleges helyreállítást igényelnének azok a súlyos szívbetegségek, amelyekben a szív valamelyik része nem fejlődik ki kellőképpen. A szív bal felének alulfejlettsége esetén például az ép jobb szívfelet lehetne munkába lendíteni.