Будущее персонализированных сосудистых трансплантатов с использованием клеток, полученных от пациентов

Эти преимущества стимулируют интенсивные исследования и инвестиции в масштабируемые, экономически эффективные методы производства персонализированных сосудистых трансплантатов.

Современные технологии и подходы

В настоящее время проводится несколько дополнительных стратегий для создания сосудистых трансплантатов, полученных от пациентов, каждый со своими сильными сторонами и текущими ограничениями. Наиболее заметными являются разработка клеточных листов, биоразлагаемые полимерные каркасы, децеллюляризованные матрицы и 3D-биопечать.

Методы проектирования клеточных листов и методы на основе лесов

Один из самых ранних и успешных подходов был разработан доктором Николя Л'Эвро и его коллегами, которые выращивали листы клеток гладкой мышцы из фибробластов пациентов и перекатывали их вокруг нити для формирования стенки сосуда. После периода созревания в просвет был засеян слой эндотелиальных клеток. Этот метод производил трансплантаты, которые были имплантированы в качестве артериовенозных шунтов у пациентов с диализом в знаковом клиническом испытании в 2012 году. Результаты продемонстрировали безопасность и многообещающую проходимость. Однако процесс занимает от 6 до 9 месяцев и требует квалифицированной лаборатории, ограничивающей широкое распространение. Недавние усовершенствования направлены на сокращение времени культивирования и автоматизацию производства с использованием биореакторов.

Другая стратегия включает в себя посев клеток на биоразлагаемые полимерные каркасы, такие как полигликолевая кислота (PGA) или поликапролактон (PCL), часто покрытые белками внеклеточного матрикса, такими как коллаген. По мере того, как клетки размножаются и откладывают свою собственную матрицу, каркас деградирует, оставляя полностью биологический сосуд. Этот подход может быть объединен с механическим кондиционированием в пульсативных проточных биореакторах, которые имитируют гемодинамические силы для улучшения механической прочности и выравнивания клеток гладких мышц. Исследователи из таких учреждений, как Университет Пенсильвании и Институт Уайсса в Гарварде , добились значительного прогресса в оптимизации состава каркаса и условий биореактора.

Альтернативой, которая соединяет аллогенные и аутологичные подходы, является использование децеллюляризированных донорских сосудов, таких как человеческие пупочные вены или артерии от умерших доноров. Они лишены донорских клеток, оставляя за собой естественные внеклеточные матричные каркасы. Затем на эту платформу засеиваются собственные клетки-предшественники эндотелия и гладких мышц реципиента. Поскольку матрица в значительной степени неиммуногенна, этот метод может сочетать готовую доступность биологических каркасов с преимуществами аутологичных клеточных популяций. Клинические продукты, такие как Гуматита Человеческий клеточный сосуд (HAV) уже получили одобрение регулирующих органов в некоторых регионах для сосудистой травмы и доступа к диализу, но они полагаются на аллогенные клетки гладких мышц, которые удаляются до имплантации. Истинная репопуляция пациентов остается активной областью исследования.

3D биопечать сосудистые графты

3D биопечать представляет собой границу персонализированного производства сосудистых трансплантатов. Используя биочернила, состоящие из живых клеток (часто индуцированных плюрипотентных клеток, полученных из стволовых клеток), суспендированных в гидрогеле, принтер может откладывать слои для формирования трубки с точными размерами, сложной геометрией (например, бифуркациями) и даже микроваскулатурой. Печатная конструкция затем созревает в специализированном биореакторе. Биопечать обеспечивает непревзойденный контроль над архитектурой трансплантата и может включать анатомические данные пациента от КТ или МРТ. Однако технология все еще созревает; проблемы включают достижение необходимой механической прочности, обеспечение жизнеспособности клеток на протяжении всего процесса печати и расширение для клинического использования. Несколько компаний, включая CollPlant и Organovo , активно разрабатывают биопечатные сосудистые ткани.

Стволовые клетки, полученные из сосудистой клетки

Поскольку изолировать достаточное количество собственных сосудистых клеток пациента от биопсии может быть трудно, особенно для пожилых или критически больных пациентов, технология стволовых клеток предлагает мощную альтернативу. Индуцированные плюрипотентные стволовые клетки (iPSCs) могут быть получены из простого образца кожи или крови, а затем дифференцированы в сосудистые эндотелиальные клетки и клетки гладкой мышцы в практически неограниченном количестве. Недавние протоколы, такие как те, которые используют небольшие молекулы для дифференцировки, достигли более 90% чистоты. Эти клетки, полученные из iPSC, могут затем использоваться для разработки персонализированных трансплантатов. Ключевое преимущество заключается в том, что iPSCs могут быть сохранены, расширены и сохранены, что позволяет быстро производить трансплантаты, если присутствуют какие-либо недифференцированные клетки. Тем не менее, остаются опасения по поводу потенциала образования тератомы, если присутствуют какие-либо недифференцированные клетки. Тем не менее, несколько клинических испытаний с использованием клеток, полученных из iPSC, для других применений продемонстрировали безопасность, прокладывая путь для сосудистых трансплантатов.

Клинические применения и результаты

Потенциальные применения для персонализированных сосудистых трансплантатов широки, охватывая как сердечно-сосудистую хирургию, так и реконструктивные процедуры. Области, где эти трансплантаты могут оказать наибольшее влияние, включают:

• Коронарное шунтирование артерий (CABG): Многие пациенты не имеют подходящих подкожных вен или внутренних артерий молочной железы. Трансплантат малого диаметра (3-4 мм), который сопротивляется тромбозу, может изменить правила игры, особенно для операций по переделке.
• Периферическая артериальная болезнь (PAD): Для шунтирования ниже колена синтетические трансплантаты имеют скорость проходимости до 30-50% в 2 года. Ранние результаты с аутологичными тканевыми трансплантатами показывают улучшенные результаты.
• Доступ к гемодиализу: Артериовенозный трансплантат является наиболее передовым клиническим применением на сегодняшний день. Вышеупомянутые трансплантаты клеточного листа и клеточный сосуд Хуматите были протестированы у пациентов с диализом с приемлемыми профилями безопасности и снижением частоты инфекций по сравнению с трансплантатами EPTFE.
• Педиатрическая сердечно-сосудистая хирургия: Детям с врожденными пороками сердца часто требуется ремонт трубопровода, который не может быть выполнен с помощью синтетических трансплантатов из-за отсутствия роста.Персонализированные живые трансплантаты могут расти вместе с ребенком, потенциально устраняя необходимость в нескольких операциях.
• сосудистая травма: В чрезвычайных ситуациях, когда аутологичная вена недоступна или время ограничено, предпочтительны готовые аллогенные или бесклеточные трансплантаты; но с достижениями в быстрой дифференцировке и биопечати iPSC, однажды может быть возможно создать специфический трансплантат пациента в течение нескольких часов.

Клинические результаты нескольких новаторских испытаний были обнадеживающими. В крупнейшем исследовании аутологичных тканевых трансплантатов для доступа к диализу (N=19) первичная проходимость в 6 месяцев составляла 73%, а в 12 месяцев — 67%, без аневризм или инфекций, связанных с трансплантатом. Эти результаты сопоставимы или лучше, чем синтетические трансплантаты. Для CABG серия из пяти пациентов, получавших инженерные трансплантаты, не имела побочных эффектов и продемонстрировала нормальную эндотелиальную функцию при визуализации в 3 месяца. В настоящее время проводятся более крупные рандомизированные контролируемые испытания.

Проблемы и ограничения

Несмотря на обещание, несколько грозных барьеров остаются, прежде чем персонализированные сосудистые трансплантаты станут обычными:

• Производственная сложность и стоимость:] Каждый трансплантат является индивидуальным продуктом, требующим выделения, расширения и созревания клеток для конкретного пациента в стерильных условиях. Расчетные затраты варьируются от 15 000 до 50 000 долларов США за трансплантат, которые должны быть уменьшены за счет автоматизации и экономии за счет масштаба, чтобы сделать технологию широко доступной.
• Время изготовления: Даже при ускоренных протоколах в настоящее время от биопсии до имплантации требуется от 4 до 9 месяцев, что несовместимо с неотложными или экстренными случаями.Исследования «мгновенных» трансплантатов с использованием аллогенных клеток в сочетании с иммуносупрессией или децеллюляризированными каркасами могут предложить мостик.
• Биомеханическая целостность: Инженерные сосуды должны выдерживать артериальное давление (120/80 мм рт.ст.) без расширения или разрыва. Достижение правильного баланса содержания коллагена и эластина, а также правильного выравнивания клеток гладкой мускулатуры остается сложной задачей. Испытание на давление в буре на животных моделях показало приемлемые результаты, но долгосрочные данные о человеке скудны.
• Тромбоз и Интимальная гиперплазия: Несмотря на то, что аутологичные эндотелиальные клетки обеспечивают некоторую защиту, ответ на заживление все еще может привести к интимальной гиперплазии — утолщению внутренней оболочки — что является основной причиной недостаточности трансплантата.Стратегии ингибирования этого процесса включают в себя лекарственные покрытия или генетическую модификацию клеток.
• Регулятивные проблемы: Персонализированные трансплантаты классифицируются как лекарственные препараты передовой терапии (ATMP) регулирующими органами, такими как FDA и EMA. Производственный процесс должен быть проверен для каждого пациента, требуя строгого контроля качества и анализа потенции. Отсутствие стандартизированных критериев высвобождения замедляет одобрение и принятие.

Этические и нормативные соображения

Развитие сосудистых трансплантатов, полученных от пациента, поднимает важные этические вопросы, которые должны решаться наряду с техническим прогрессом. Информированное согласие имеет решающее значение, поскольку пациенты должны понимать экспериментальную природу этих трансплантатов, возможность отказа трансплантата и неопределенность в отношении долгосрочных результатов. Для педиатрических пациентов требуется согласие опекунов и согласие от детей старшего возраста с тщательным рассмотрением рисков использования генетически модифицированных клеток или ИПСК.

Еще одна проблема заключается в том, что справедливый доступ . Персонализированные трансплантаты в настоящее время непомерно дороги и доступны только в нескольких специализированных академических медицинских центрах. Без преднамеренных мер политики в области здравоохранения эти методы лечения могут усугубить существующие различия в сердечно-сосудистой помощи. Усилия по сокращению затрат через общие производственные платформы и политику возмещения будут иметь важное значение.

С точки зрения регулирования, Центр оценки и исследований биологических препаратов FDA (CBER) контролирует такие продукты. Агентство выпустило проект руководства по оценке тканеинженерных сосудистых трансплантатов и работает с консорциумами для разработки публичных стандартов для автоматизированного производства и неразрушающего контроля (например, с использованием ультразвука или МРТ для оценки целостности трансплантата до имплантации). Международные усилия, такие как Международный комитет по клеточной и влаготерапии (ISCT) и Международный комитет ASTM по тканеинженерным медицинским продуктам, направлены на гармонизацию стандартов во всем мире.