La enfermedad pulmonar en etapa terminal es la tercera causa de muerte en todo el mundo, representando 400,000 muertes por año solo en los Estados Unidos. Los investigadores que exploran nuevas formas de promover la reparación pulmonar y aumentar la cantidad de pulmones de donantes disponibles han sido desafiados porExtrema complejidad del órgano: el pulmón tiene más de 40 tipos de células diferentes que residen en su matriz y el área de superficie total entre las vías respiratorias y la vasculatura es del tamaño de una cancha de tenis. Esfuerzos para bioingeniería de pulmones funcionales de andamios totalmente descelularizados o sintéticos que carecen deLa vasculatura funcional no ha tenido éxito hasta ahora.
Un equipo de Columbia Engineering dirigido por Gordana Vunjak-Novakovic, profesora universitaria y profesora de la Fundación Mikati en Columbia Engineering y profesora de ciencias médicas en medicina en la Universidad de Columbia, y N. Valerio Dorrello, profesor asistente de pediatría en Columbia University MedicalCenter, es el primero en bioingeniería exitosa de un pulmón funcional con vasculatura perfusable y saludable en un pulmón de roedor ex vivo. Su nuevo enfoque DOI 10.1126 / sciadv.1700521, que permite la extracción del epitelio pulmonar mientras mantiene la viabilidad y la función dela red vascular y la matriz pulmonar, se publica hoy en Avances científicos .
En los últimos siete años, varios grupos de investigación han podido descelularizar completamente los pulmones para construir andamios para la bioingeniería pulmonar con la arquitectura y rigidez adecuadas que pueden ser repobladas por células recién introducidas. Para reconstruir un pulmón funcional a partir de este andamio libre de células, los investigadores necesitan regenerar tanto las superficies epiteliales en las vías respiratorias como el revestimiento endotelial de la vasculatura. Una red vascular intacta, que falta en estos andamios, es fundamental no solo para mantener la barrera de gases en sangre y permitir la función adecuada del injerto,pero también para apoyar las células introducidas para regenerar el pulmón. Esto ha resultado ser un desafío desalentador.
"Desarrollamos un enfoque radicalmente nuevo para la bioingeniería del pulmón", dice Vunjak-Novakovic, un pionero en ingeniería de tejidos que dirige el Laboratorio de Ingeniería de Células Madre y Tejidos ". Razonamos que un andamio pulmonar ideal debería ser perfusibley vasculatura saludable, por lo que desarrollamos un método que mantiene la vasculatura pulmonar completamente funcional mientras eliminamos el revestimiento epitelial defectuoso de las vías respiratorias y lo reemplazamos con células terapéuticas sanas. Esta capacidad de tratar selectivamente el epitelio pulmonar es importante, ya que la mayoría de las afecciones pulmonares son enfermedadesdel epitelio "
Las técnicas anteriores para la descelularización de todo el pulmón se diseñaron para eliminar todas las células del pulmón, generando un andamio de pulmón libre de células. El equipo de Columbia ahora ha demostrado un enfoque transformador para obtener injertos pulmonares vascularizados funcionales. Desarrollaron una vía aérea específicamétodo para extraer el epitelio pulmonar mientras se preserva la vasculatura pulmonar, la matriz y otros tipos de células de soporte, como fibroblastos, miocitos, condrocitos y pericitos. Después de la canulación pulmonar en un pulmón roedor, ventilaron los pulmones y los perfundieron en una perfusión pulmonar ex vivo.sistema EVLP, similar al sistema de oxigenación por membrana extracorpórea ECMO utilizado para ayudar a los pacientes con insuficiencia cardiovascular y respiratoria. Luego entregaron intratraquealmente una solución detergente suave a un pulmón aislado para eliminar las células epiteliales y protegieron la vasculatura haciendo circular un perfundidoque contienen electrolitos y sustratos de energía. El andamio pulmonar mantuvo tLa arquitectura bronquial y vascular, y apoyó la unión y el crecimiento de células pulmonares humanas derivadas de células madre y adultas en este biorreactor ex vivo.
"Todos los días veo niños en cuidados intensivos con enfermedad pulmonar grave que dependen del soporte de ventilación mecánica. El enfoque que establecimos podría conducir a modalidades de tratamiento completamente nuevas para estos pacientes, diseñadas para regenerar los pulmones al tratar el epitelio lesionado", dice Dorrello, el autor principal del estudio.
"Las estrategias destinadas a aumentar el número de pulmones trasplantables tendrían un impacto inmediato y profundo", dice Matthew Bacchetta, profesor asociado de cirugía, Centro Médico de la Universidad de Columbia, y coautor del artículo. "El trasplante de pulmón es el únicotratamiento definitivo que tenemos para pacientes con enfermedad pulmonar en etapa terminal, pero hay una grave escasez de órganos donantes: solo el 20 por ciento de los pulmones donantes potenciales son aceptables para el trasplante y esto lleva a muchas muertes potencialmente evitables en la lista de espera., la intervención temprana con terapia génica o celular puede ofrecer beneficios aún mayores al promover la reparación y regeneración pulmonar, lo que ralentiza la progresión de la enfermedad y, en última instancia, evita la necesidad de trasplante. Este enfoque también podría servir como un medio para hacer que el pulmón donante sea más resistente yduradero para el trasplante. Como cirujano de trasplante de pulmón, estoy muy entusiasmado con el gran potencial de nuestra técnica ".
El estudio ha sido respaldado por una nueva subvención de siete años y $ 8.2M de los Institutos Nacionales de Salud que se centra en el modelado, la patogénesis y el tratamiento de la fibrosis pulmonar idiopática. El equipo ya está utilizando su modelo controlable de regeneración pulmonar para tratar a los humanospulmones ex vivo, y para un mayor estudio del desarrollo y reparación pulmonar en el contexto de todo el órgano. Están desarrollando nuevas modalidades para la extracción de células guiada por imagen y la entrega de células o agentes terapéuticos para aplicaciones clínicas. También están refinando objetivos, localizados, y el tratamiento selectivo del epitelio pulmonar defectuoso para abordar las necesidades clínicas de enfermedades pulmonares específicas.
"Este es un gran paso adelante en la bioingeniería de los pulmones", dice Vunjak-Novakovic. "La creación de pulmones desepitelizados con vasculatura funcional puede abrir nuevas fronteras en la bioingeniería pulmonar y la medicina regenerativa. Este proyecto no pudo haberse completado con éxitosin el esfuerzo interdisciplinario que nos hizo salir de nuestra zona de confort y probar enfoques novedosos en colaboración con bioingenieros, científicos clínicos y científicos de células madre ".
Sobre el estudio
El estudio se titula "Injertos pulmonares vascularizados funcionales para bioingeniería pulmonar". Los contribuyentes son N. Valerio Dorrello Departamento de Pediatría, Centro Médico de la Universidad de Columbia, CUMC, y Departamento de Ingeniería Biomédica, Ingeniería de Columbia, Brandon A. Guenthart Departamento de Ingeniería Biomédica, Columbia Engineering, y Departamento de Cirugía, CUMC, John D. O'Neill Departamento de Ingeniería Biomédica, Columbia Engineering, Jinho Kim Departamento de Ingeniería Biomédica, Columbia Engineering, Katherine Cunningham Departamento de BiomedicalIngeniería, Ingeniería de Columbia, Ya-Wen Chen Centro de Desarrollo Humano de Columbia y Departamento de Medicina, CUMC, Mauer Biscotti Departamento de Cirugía, CUMC, Theresa Swayne Centro Integral de Cáncer Herbert Irving, CUMC, Holly M. WobmaDepartamento de Ingeniería Biomédica, Ingeniería de Columbia, Sarah XL Huang Centro de Desarrollo Humano y Departamento de Medicina de Columbia, CUMC, Hans-Willem Snoeck Columbia Center for Human Development and Department of Medicine, Columbia Center for Translational Immunology, and Department of Microbiology and Immunology, CUMC, y Matthew Bacchetta Department of Surgery, CUMC.
Este trabajo fue apoyado por los Institutos Nacionales de Salud P41 EB002520 a GV-N y U01HL134760 a HW.S y GV-N., Driscoll Children's Fund y Hearts of ECMO Extracorporeal Membrane Oxygenation a NVD, elFundación Mikati a GV-N. Y Fundación Richard Bartlett a MB.
H.-WS, SXLH e Y.-WC son autores de una solicitud de patente relacionada con este trabajo presentada por la Universidad de Columbia solicitud no PCT / US2013 / 051913, presentada el 24 de julio de 2013. MB, BG, anuncio JDOGV-N. Son autores de una solicitud de patente relacionada con este trabajo presentada por la Universidad de Columbia solicitud no 1425387, presentada el 4 de abril de 2014. JK, JDO y GV-N. Son autores de una solicitud de patente relacionada con este trabajo presentadopor la Universidad de Columbia informe de invención CU 17293, presentado el 9 de febrero de 2016. Los otros autores declaran que no tienen otros intereses en competencia.
Fuente de la historia :
Materiales proporcionado por Escuela de Ingeniería y Ciencias Aplicadas de la Universidad de Columbia . Nota: El contenido puede ser editado por estilo y longitud.
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