Vật liệu sinh học để chữa lành các mô từ trong ra ngoài

Các nhà nghiên cứu cũng cung cấp bằng chứng về khái niệm trong mô hình động vật gặm nhấm rằng vật liệu sinh học này có thể có lợi cho bệnh nhân bị chấn thương sọ não và tăng huyết áp động mạch phổi.

"Vật liệu sinh học này cho phép điều trị các mô bị tổn thương từ trong ra ngoài," Karen Christman, giáo sư kỹ thuật sinh học tại Đại học California San Diego, đồng thời là nhà nghiên cứu chính của nhóm phát triển vật liệu, cho biết. "Đó là một cách tiếp cận mới đối với kỹ thuật tái tạo."

Christman cho biết thêm, một nghiên cứu về tính an toàn và hiệu quả của vật liệu sinh học đối với con người có thể bắt đầu trong vòng một đến hai năm. Nhóm nghiên cứu, tập hợp các kỹ sư sinh học và bác sĩ, đã trình bày những phát hiện của họ trong số ra ngày 29 tháng 12 của tạp chí Nature Biomedical Engineering .

Ước tính có khoảng 785.000 trường hợp đau tim mới ở Hoa Kỳ mỗi năm và không có phương pháp điều trị nào được thiết lập để sửa chữa tổn thương do mô tim gây ra. Sau cơn đau tim, mô sẹo phát triển, làm suy giảm chức năng cơ và có thể dẫn đến suy tim sung huyết.

"Bệnh động mạch vành, nhồi máu cơ tim cấp tính và suy tim sung huyết tiếp tục là những vấn đề sức khỏe cộng đồng nặng nề nhất ảnh hưởng đến xã hội của chúng ta ngày nay," Tiến sĩ Ryan R. Reeves, bác sĩ thuộc Khoa Tim mạch UC San Diego cho biết. "Là một bác sĩ tim mạch can thiệp, người điều trị bệnh nhân mắc bệnh động mạch vành và suy tim sung huyết hàng ngày, tôi rất muốn có một liệu pháp khác để cải thiện kết quả của bệnh nhân và giảm các triệu chứng suy nhược."

Trong các nghiên cứu trước đây, nhóm nghiên cứu do Christman đứng đầu đã phát triển một loại hydrogel làm từ giàn giáo tự nhiên của mô cơ tim, còn được gọi là chất nền ngoại bào (ECM), có thể được tiêm vào mô cơ tim bị tổn thương thông qua một ống thông. Gel tạo thành một giàn giáo ở những vùng tim bị tổn thương, khuyến khích sự phát triển và sửa chữa tế bào mới. Kết quả từ một thử nghiệm lâm sàng thành công ở giai đoạn 1 trên người đã được báo cáo vào mùa thu năm 2019. Nhưng vì nó cần được tiêm trực tiếp vào cơ tim nên nó chỉ có thể được sử dụng sau một cơn đau tim một tuần hoặc lâu hơn -- sớm hơn sẽ có nguy cơ gây ra tổn thương vì quy trình tiêm dựa trên kim.

Nhóm nghiên cứu muốn phát triển một phương pháp điều trị có thể được thực hiện ngay sau cơn đau tim. Điều này có nghĩa là phát triển một vật liệu sinh học có thể được truyền vào mạch máu trong tim cùng lúc với các phương pháp điều trị khác như nong mạch hoặc đặt stent, hoặc tiêm vào tĩnh mạch.

"Chúng tôi đã tìm cách thiết kế một liệu pháp vật liệu sinh học có thể được chuyển đến các cơ quan và mô khó tiếp cận, đồng thời chúng tôi đã nghĩ ra phương pháp tận dụng dòng máu - mạch đã cung cấp máu cho các cơ quan và mô này." Martin Spang, tác giả đầu tiên của bài báo, người đã lấy bằng Tiến sĩ, cho biết. trong nhóm của Christman ở Khoa Kỹ thuật Sinh học Shu Chien-Gene Lay.

Một ưu điểm của vật liệu sinh học mới là nó được phân bổ đều khắp các mô bị tổn thương, bởi vì nó được truyền hoặc tiêm vào tĩnh mạch. Ngược lại, hydrogel được tiêm qua ống thông vẫn ở những vị trí cụ thể và không lan rộng ra.

Các nhà nghiên cứu trong phòng thí nghiệm của Christman bắt đầu với hydrogel mà họ phát triển, được chứng minh là tương thích với việc tiêm máu như một phần của thử nghiệm an toàn. Nhưng kích thước hạt trong hydrogel quá lớn để nhắm mục tiêu các mạch máu bị rò rỉ. Spang, sau đó là bằng tiến sĩ. sinh viên trong phòng thí nghiệm của Christman, đã giải quyết vấn đề này bằng cách đưa tiền chất lỏng của hydrogel qua máy ly tâm, cho phép sàng lọc các hạt lớn hơn và chỉ giữ lại các hạt có kích thước nano. Nguyên liệu thu được được đưa qua thẩm tách và lọc vô trùng trước khi đông khô. Thêm nước vô trùng vào bột cuối cùng sẽ tạo ra một vật liệu sinh học có thể được tiêm vào tĩnh mạch hoặc truyền vào động mạch vành ở tim.

Sau đó, các nhà nghiên cứu đã thử nghiệm vật liệu sinh học trên mô hình đau tim của loài gặm nhấm. Họ hy vọng vật liệu này sẽ đi qua các mạch máu và vào mô vì các khoảng trống phát triển giữa các tế bào nội mô trong mạch máu sau cơn đau tim.

Nhưng một cái gì đó khác đã xảy ra. Vật liệu sinh học liên kết với các tế bào đó, thu hẹp các khoảng trống và tăng tốc độ chữa lành các mạch máu, nhờ đó giảm viêm nhiễm. Các nhà nghiên cứu cũng đã thử nghiệm vật liệu sinh học trên mô hình đau tim ở lợn và cho kết quả tương tự.

Nhóm nghiên cứu cũng đã thử nghiệm thành công giả thuyết rằng cùng một vật liệu sinh học có thể giúp nhắm mục tiêu các loại viêm khác trong mô hình chuột bị chấn thương sọ não và tăng huyết áp động mạch phổi. Phòng thí nghiệm của Christman sẽ thực hiện một số nghiên cứu tiền lâm sàng cho những tình trạng này.

Spang cho biết: “Mặc dù phần lớn công việc trong nghiên cứu này liên quan đến tim, nhưng khả năng điều trị các cơ quan và mô khó tiếp cận khác có thể mở ra lĩnh vực vật liệu sinh học/kỹ thuật mô để điều trị các bệnh mới”.

Trong khi đó, Christman cùng với Ventrix Bio, Inc., một công ty khởi nghiệp do cô đồng sáng lập, đang lên kế hoạch xin phép FDA để tiến hành một nghiên cứu ở người về các ứng dụng của vật liệu sinh học mới đối với bệnh tim. Điều này có nghĩa là các thử nghiệm lâm sàng trên người sẽ bắt đầu sau một hoặc hai năm nữa.

Tiến sĩ Reeves cho biết: “Một lý do chính mà chúng tôi điều trị bệnh động mạch vành nặng và nhồi máu cơ tim là để ngăn ngừa rối loạn chức năng tâm thất trái và tiến triển thành suy tim sung huyết”. "Liệu pháp dễ thực hiện này có khả năng đóng một vai trò quan trọng trong phương pháp điều trị của chúng tôi."