Reparación del corazón con miocardio diseñado con tejido humano

A pesar de los avances en las terapias médicas y de dispositivos, los pacientes con insuficiencia cardíaca terminal tienen una tasa de supervivencia de solo el 25 % durante los primeros 2 años después de su diagnóstico. La insuficiencia cardíaca suele ser el resultado de un daño inducido por un infarto de miocardio (IM; ataque cardíaco) grave. Después de un infarto de miocardio grave, el corazón humano puede perder hasta mil millones de células del músculo cardíaco (cardiomiocitos). Para la mayoría de estos pacientes, el trasplante de corazón es la única terapia útil, pero hay una grave escasez de corazones de donantes. Recientemente, los dispositivos de asistencia ventricular izquierda (DAVI) están disponibles para asumir la función de bombeo de la cámara crucial del ventrículo izquierdo del corazón. Estos dispositivos se utilizaron originalmente como “puente al trasplante” (una medida temporal para mantener con vida a los pacientes hasta que estuviera disponible un nuevo corazón); Recientemente, algunos pacientes han recibido DAVI como “terapias de destino” (sustitutos permanentes de corazones trasplantados). Sin embargo, los problemas asociados con estos implantes mecánicos incluyen un mayor riesgo de accidente cerebrovascular (coágulos de sangre que se forman debido a los dispositivos) e infección (los DAVI funcionan con baterías que se transportan fuera del cuerpo y requieren cables para perforar la piel). Estamos trabajando para desarrollar una medicina regenerativa cardíaca utilizando músculo cardíaco diseñado (EHM). Estamos utilizando células madre embrionarias humanas (hESC) porque pueden cultivarse en cantidades muy grandes y, con los métodos adecuados, pueden activarse para diferenciarse en cardiomiocitos, fibroblastos y músculo liso que se pierden después de un infarto de miocardio. Dado que estas células se pueden producir en cantidades esencialmente ilimitadas, en teoría podríamos tratar a un gran número de pacientes que actualmente no tienen opciones. Durante el primer año de este proyecto, hemos a) establecido métodos para producir miles de millones de cantidades de células derivadas de hESC necesarias para abordar este problema; b) desarrolló métodos para congelar y enviar estas células a nuestro colaborador en Alemania para el ensamblaje de EHM, y c) utilizó estas células para generar 1 formas diferentes de EHM para comparar su supervivencia y función tanto in vitro (composición, fuerza generada) como in vivo. (después del trasplante en ratas a las que se les ha administrado IM). Ahora estamos perfeccionando el diseño del EHM con el objetivo de avanzar y probarlo en animales con corazones más parecidos a los humanos (según el tamaño y la frecuencia cardíaca); Este paso será esencial para evaluar su seguridad y función antes de cualquier ensayo clínico.

El proyecto “Reparación del corazón con miocardio diseñado con tejido humano” está diseñado para encontrar una nueva opción para el tratamiento de la insuficiencia cardíaca. Debido a la escasez de corazones de donantes, muchos pacientes que los necesitan nunca reciben esta terapia que les salva la vida. Estamos generando músculos cardíacos diseñados (EHM, por sus siglas en inglés) que están hechos de cardiomiocitos (células del músculo cardíaco) derivados de células madre embrionarias humanas. El objetivo final de este trabajo es producir un “parche” de corazón humano latiendo que pueda trasplantarse a corazones dañados y ayudar a restaurar su función. Gracias a los esfuerzos conjuntos de los investigadores del laboratorio del Dr. Joseph Wu en Stanford y el equipo del Dr. Larry Couture en City of Hope, hemos desarrollado un proceso que permite una generación esencialmente ilimitada de cardiomiocitos mediante un proceso que es totalmente compatible con un eventual uso clínico. Nuestro colaborador de la Universidad de Gottingen, el Dr. Wolfram Zimmerman, utiliza estas células para producir EHM, que luego se envían a Stanford. En Stanford, los EHM se evalúan por su estructura, salud general y capacidad para generar fuerza medida in vitro. Estos EHM también se trasplantan a roedores que han sufrido ataques cardíacos, para ver si los EHM pueden sobrevivir y mejorar la función cardíaca. En el primer año de este proyecto, comparamos diferentes métodos de fabricación de EHM y los resultados que podrían medirse tanto in vitro como in vivo. Establecimos un modelo de enfermedad cardíaca en ratas con sistemas inmunológicos defectuosos (necesarios para la supervivencia de células y tejidos humanos en este entorno tan extraño). Descubrimos que un diseño de parche específico en forma de cuadrícula era más fácil de construir que otras opciones y podía sobrevivir en el modelo de enfermedad cardíaca en ratas. En el segundo año, nos centramos en el diseño de este parche y realizamos una mayor cantidad de trasplantes. Utilizando EHM elaborados a partir de células genéticamente modificadas que emiten una señal fluorescente, pudimos rastrear la supervivencia a largo plazo de los EHM (al menos 2 meses) sin tener que sacrificar muchos de los animales. Nuestro análisis de los EHM trasplantados mostró que habían sobrevivido al trasplante y habían adquirido características que los acercaban más al tejido cardíaco normal. Además, el trasplante de EHM resultó en una mejor función cardíaca, en comparación con las ratas que no recibieron trasplantes o recibieron un trasplante de EHM de control que contenía células muertas. La siguiente fase de nuestro proyecto será evaluar la función de EHM más grandes en un modelo porcino de enfermedad cardíaca, ya que estos animales tienen corazones similares en tamaño y frecuencia cardíaca a los humanos. Este es un paso crucial antes de considerar trasladar este trabajo a pacientes humanos.

Los pacientes con insuficiencia cardíaca terminal (ESHF) tienen un pronóstico particularmente grave, con una tasa de supervivencia a 2 años del 25 % a pesar de la terapia médica y del dispositivo optimizada. La ESHF se desarrolla típicamente después de un infarto de miocardio (IM). Para la mayoría de estos pacientes, el trasplante de corazón ortotópico (OHT) es la única opción terapéutica curativa, pero no puede administrarse en la medida necesaria debido a la escasez de órganos de donantes; se estima que hay 200,000 pacientes diagnosticados con ESHF anualmente, sin embargo, solo hay 3,000 OHT realizadas al año. Por tanto, existe una clara necesidad insatisfecha de desarrollar tratamientos alternativos para la creciente población de pacientes con ESHF. En pacientes con ESHF, se implanta periódicamente un dispositivo de asistencia ventricular izquierda (DAVI) como puente hacia la OHT. Este dispositivo asume la función de bombeo del ventrículo izquierdo y, en algunos casos (por ejemplo, cuando no hay un donante de corazón adecuado disponible) puede permanecer en el paciente por el resto de su vida. Estos DAVI representan un importante paso adelante en la terapia, pero tienen algunos riesgos asociados: hay una mayor incidencia de accidente cerebrovascular en estos pacientes, y debido a que los DAVI funcionan con baterías que se encuentran fuera del cuerpo, estos pacientes tienen cables que sobresalen a través de sus pechos que hacen los hacen susceptibles a infecciones potencialmente mortales. En este proyecto, hemos investigado la posibilidad de generar un DAVI biológico: un parche compuesto de cardiomiocitos derivados de células madre embrionarias humanas (heSC-CM) que se implantaría sobre la región dañada del corazón de un paciente. Este parche (también llamado músculo cardíaco diseñado; EHM) podría potencialmente proporcionar función contráctil y también permitir que los cardiomiocitos en el parche secreten factores que mejoren la supervivencia y la función del corazón del huésped. Para evaluar el potencial de esta nueva terapia, establecimos una colaboración entre los laboratorios del Dr. Joseph Wu de Stanford (un experto en la comprensión de las enfermedades cardíacas mediante el uso de cardiomiocitos derivados de células madre), el Dr. Wolfram Zimmerman en Göttingen (líder en el diseño y generación de parches de músculo cardíaco diseñados) y el Dr. Larry Couture en City of Hope (una instalación con la capacidad única de producir miles de millones de hESC-CM). Después de transferir los procedimientos para la generación de hESC-CM del laboratorio de Wu a City of Hope, este último desarrolló métodos para producir cantidades esencialmente ilimitadas de hES-CM. Estas células se enviaron a Göttingen para utilizarlas en la generación de EHM. Los EHM posteriores se enviaron a Stanford para trasplantes en modelos de insuficiencia cardíaca de ratas inmunodeficientes y de cerdos inmunodeprimidos para probar la seguridad y eficacia de los EHM. (Los modelos de ratas se usan típicamente para mostrar la seguridad de las terapias celulares; los modelos de animales grandes, como los cerdos, generalmente se usan porque tienen corazones con tamaños y propiedades similares a los de los humanos. Los modelos animales grandes son particularmente desafiantes, porque tienen sistemas inmunológicos intactos que generan fuertes respuestas contra las células humanas y generalmente rechazan los injertos). Pudimos demostrar la supervivencia a largo plazo de los EHM en modelos de ratas inmunodeficientes sin evidencia de formación de tumores y demostramos que los EHM trasplantados ayudaron a preservar la función diastólica (es decir, la función del corazón durante la fase de relajación) en los corazones dañados. También desarrollamos un nuevo régimen de inmunosupresión para prolongar la supervivencia de los EHM derivados de células humanas en cerdos, y hemos trasplantado una serie de animales con los EHM y estamos monitoreando los efectos sobre la función cardíaca, así como la seguridad del enfoque en un corazón de tamaño humano.