211service.com
Klompenbrekers
Kleine, kunstmatige bloedvaten zijn bedoeld om cardiale bypass-patiënten hoop te bieden. Het probleem is dat deze kleine synthetische vaten de neiging hebben om te verstoppen. Nu, biomedisch ingenieur! Donald Elbert en zijn team aan de Washington University, in St. Louis, hebben een nieuw materiaal ontwikkeld dat is ontworpen om het lichaam te misleiden tot het bouwen van bloedvaten vanuit zijn eigen cellen.
Bio-ingenieurs van de Washington University stellen zich voor dat de hier afgebeelde gel op een dag een stollingsprobleem in kleine, kunstmatige bloedvaten zal oplossen. De gel, gemaakt van eiwitfragmenten (blauwe rechthoeken), het bloedeiwit albumine (grijze plukjes), een signalerend lipide (gele vlekken) en een synthetisch polymeer (blauwe sterren), zou endotheelcellen (grijze knobbel), die de menselijke bloedvaten, om de binnenkant van kunstmatige bloedvaten te koloniseren.
De wortel van het verstoppingsprobleem is thermodynamica, zegt Elbert. Wanneer een bloedvat is gemaakt van gemodificeerd teflon - of iets anders dan lichaamseigen cellen - stoten stollingseiwitten in het bloed tegen de vaatwanden, plakken, ontvouwen en worden actief, waardoor stollingsreacties worden veroorzaakt. De stolsels zijn te klein om grote bloedvaten te blokkeren, en in feite komen teflon-aorta's veel voor. Maar in vaten die smaller zijn dan zes millimeter, maken stolsels klompen. Bijgevolg kunnen cardiale bypass-patiënten geen kleine kunstmatige vaatimplantaten krijgen. In plaats daarvan moeten kleine bloedvaten uit het lichaam van de patiënt worden geoogst, zodat het bloed kan worden omgeleid. Dit is een extra operatie en uiteindelijk kan de patiënt geen vaten meer hebben om te oogsten.
Multimedia
ANIMATIE: Endotheelcellen op gel
De oplossing van Elbert is een nieuwe coating voor de binnenkant van kunstmatige vaten. Het is voornamelijk gemaakt van stoffen die in het menselijk lichaam worden aangetroffen. Polyethyleenglycol, het enige synthetische ingrediënt, is een veelarmig polymeer dat wordt gebruikt in tandpasta en shampoo. Bij blootstelling aan bloed stoot het bijna alle stollingseiwitten af die eraan proberen te kleven. Albumine, een bloedeiwit, is opgenomen om polyethyleenglycolen aan elkaar te hechten. De armen van polyethyleenglycol zijn verbonden met twee biologisch actieve ingrediënten. Een van de ingrediënten is een eiwitfragment dat werkt als klittenband en endotheelcellen bindt, die menselijke bloedvaten bekleden, aan de kunstmatige voering. Het andere bioactieve ingrediënt is een enzym dat in het bloed wordt aangetroffen en dat een vetstof, of lipide, uit de bloedbaan kan halen en deze kan omzetten in een lipide, sfingosine-1-fosfaat genaamd, dat groei- en overlevingssignalen naar endotheelcellen stuurt.
Het maken van het brouwsel is eenvoudig, zegt Elbert. Alle ingrediënten worden gemengd in water en een nacht gelaten. Tegen de ochtend vormen ze een gel.
Elbert stelt zich voor dat een synthetisch transplantaat bekleed met de coating vervolgens in een bestaand bloedvat kan worden genaaid. Polyethyleenglycol zou de meeste stollingseiwitten enige tijd afstoten. Ondertussen zou het enzym het lipide maken en vrijgeven dat endotheelcellen signaleert, en hen aanmoedigen om op de transplantaatranden te groeien. De eiwitfragmenten zouden de cellen op het oppervlak vasthouden. De gel zou meer lipiden afgeven, wat de cellen signaleert om te delen en te koloniseren. Na een maand of twee zou het hele binnenoppervlak van het transplantaat hopelijk worden bekleed met een laag cellen, zegt Elbert. De cellen zouden chemicaliën afscheiden om de stolling te belemmeren, zoals ze van nature in het lichaam doen.
Andere onderzoekers bestrijden het stollingsprobleem op verschillende manieren, merkt Elbert op. Veel mensen proberen bloedvaten te maken door middel van tissue engineering, zegt hij. Weefselingenieurs verwijderen cellen uit de bloedvaten van een patiënt, laten ze groeien op een poreuze buis en verzorgen de structuur totdat deze sterk genoeg is om opnieuw te implanteren. Stolsels verstoppen deze bloedvaten niet omdat ze zijn bekleed met endotheelcellen. Dat werkt, zegt Elbert. Maar het kweken van een menselijk bloedvat in een laboratorium is traag en ongelooflijk duur. En de bloedvaten kunnen kwetsbaar zijn - de bloedstroom kan cellen afscheuren, waardoor stolling ontstaat. Anderen hebben geprobeerd synthetische vaten te maken van klonterbestendige materialen. Deze zijn goedkoop en stevig. En ze zijn enige tijd bestand tegen stolsels. Maar na enkele jaren kunnen ze verstoppen. Geen van beide methoden is volledig geslaagd bij dieren.
In tegenstelling tot andere alternatieven, zegt Elbert, zouden vaten die zijn bekleed met het materiaal van zijn team goedkoop, gemakkelijk, duurzaam, niet-stollend en niet-immunogeen zijn. Tot nu toe heeft zijn gel enkele eerste tests in het laboratorium doorstaan. Endotheelcellen migreren snel bovenop de gel. De cellen blijven eraan plakken, zelfs in een stroomkamer, die de schuifkracht van de bloedstroom simuleert.
Elbert voegt eraan toe dat de gel van zijn team het lichaam ook kan helpen nieuwe vaatnetwerken te laten groeien. Met kippeneimembranen die ermee werden behandeld, groeiden nieuwe vliezen van bloedvaten. Je zou je kunnen voorstellen dat je het materiaal na een hartaanval naast het hart legt, zodat het lipide in de hartwand kan diffunderen en nieuwe bloedvaten kan vormen die het hart zouden helpen overleven, zegt hij.
Het is veel te vroeg om te weten hoe de bloedvaten of gel van Elbert zullen presteren in het menselijk lichaam, waarschuwingen Robert Langer , hoogleraar chemische en biologische technologie aan het MIT. Veel formuleringen zagen er veelbelovend uit in het laboratorium, maar faalden bij dieren, zegt hij. De sleutel is dierstudies, met name varkens.
Veiligheid is ook een punt van zorg, voegt eraan toe Omolola Eniola-Adefeso , assistent-professor chemische technologie aan de Universiteit van Michigan. Ze maakt zich zorgen dat het lipide van Elbert, dat veel signalen in het lichaam stuurt, normale lichaamsprocessen kan verstoren.
Men moet uiterst voorzichtig zijn, beaamt Elbert. Grote hoeveelheden van het lipide kunnen het immuunsysteem onderdrukken en celdood veroorzaken. Hij is van plan om te bepalen hoeveel hij kan leveren om endotheelcellen te stimuleren zonder overbelasting. De tests zullen in 2007 op dieren beginnen en minstens vier jaar duren, zegt hij.
Wat het stollingsprobleem betreft, er werken net zoveel ingenieurs aan als bio-engineeringafdelingen in het hele land, zegt Eniola-Adefeso. Tot nu toe, zegt ze, is Elbert's aanpak de meest veelbelovende.