Early safety and feasibility of atrial appendage-derived micrografts for the treatment of ischemic heart failure

Cardiovascular diseases are the leading causes of death worldwide. Ischemic heart failure due to coronary artery disease is one of the most common reasons for mortality. Drug therapy, transcatheter procedures, and surgery cannot restore the functional cell loss of the dead myocardium. Instead, the traditional treatment consensus focuses on delaying the progression of the disease and diminishing the symptoms. Eventually, ventricular dysfunction develops when the heart suffers from inadequate blood flow. Only a ventricular assist device or heart transplantation can treat end-stage heart failure. The vision of restoring structural and functional myocardium after ischemic damage and scarring has fascinated the cardiac regeneration research community for decades and driven the search for a clinically feasible, reliable, and effective treatment for repairing and replacing damaged heart tissue. Epicardial transplantation of atrial appendage micrografts (AAMs) is a newly adopted surgical technique with cardio regenerative potential and can, as a straightforward method, be readily adopted worldwide. As myocardial support therapy, performing AAMs transplantation with open heart surgery is feasible—such as coronary artery bypass grafting (CABG) surgery. This PhD thesis aims to assess the safety of the epicardial delivered AAMs with CABG surgery and evaluate the procedure’s feasibility in a clinical setting. Patients and methods Study I assessed the safety and feasibility of epicardial transplanted AAMs in pigs after coronary artery ligation. First, the right atrial appendage was harvested and mechanically processed into AAMs. The left descending coronary artery was ligated to experimentally model myocardial infarction and heart failure. AAMs with fibrin gel were placed on an extracellular matrix patch and transplanted epicardially onto the infarct area. Four pigs received an AAMs patch, and four received similarly prepared patches without AAMs. Open heart echocardiography was performed preoperatively and at three weeks follow-up to evaluate the cardiac function and dimensions of the infarcted ventricular wall. The primary outcome measures were the safety and feasibility of therapy administration during open heart surgery. Studies II, III, and IV included 12 ischemic heart failure patients scheduled for elective CABG surgery. Late gadolinium enhancement cardiac magnetic resonance imaging (CMRI) was performed preoperatively and six months postoperatively. As well as the standard clinical treatment protocol, six patients received an AAM patch, and six were operated on according to the standard clinical treatment protocol without AAMs patch transplantation. Clinical data of 30 elective CABG patients, without any additional follow-up or imagining, was collected from hospital records; this group formed another control group. A sample of the right atrial appendage was mechanically processed to generate the AAMs. The micrografts were applied with a fibrin gel onto a tissue-engineered extracellular matrix sheet and further epicardially onto the infarct scar site identified in the preoperative CMRI. Laboratory tests and quality-of-life questionnaires (QoL) were performed preoperatively and at a six-month follow-up. The primary outcome measures were I) patient safety concerning hemodynamic and cardiac function over the follow-up time and II) feasibility of therapy administered in a clinical setting. Secondary outcome measures were left ventricular wall thickness, change in myocardial scar tissue volume, changes in left ventricular ejection fraction, plasma concentrations of N-terminal pro-B-type natriuretic peptide levels, NYHA class, number of days in the hospital, and changes in QoL. Results Study I showed no arrhythmias, complications, or increased mortality among the pigs receiving epicardial AAMs or control patches. According to processing time and sterility, AAMs patch preparation was feasible to be conducted simultaneously with heart surgery. AAMs suppressed the overall inflammation (foreign body reaction) caused by the matrix as measured by the amount of infiltrated inflammatory cells and the size of the inflammation area. Immunohistochemistry showed increased CD3+ cell (T-lymphocyte) density in the AAMs patch group. In Studies II, III, and IV, epicardial transplantation of AAMs for patients was safe and feasible to be performed with open heart surgery. Patient recovery was the same in all groups. CMRI demonstrated that patients receiving AAMs treatment had a greater volume of viable cardiac tissue at follow-up. Conclusions According to the results, epicardial transplantation of AAMs is safe, clinically feasible, and shows good clinical applicability during open heart surgery. As the results from the safety and feasibility trial suggest, the therapy’s regenerative efficacy should be evaluated in a larger randomized clinical trial. Moreover, epicardial transplantation of AAMs may be a delivery platform for future cell-, drug-, or gene-based cardiac therapies.Sydämen ja verenkiertoelimistön sairaudet ovat maailman yleisimmät kuolinsyyt. Sepelvaltimotauti ja siitä johtuva iskeeminen sydämen vajaatoiminta on yksi eniten kuolleisuutta aiheuttava sairaus. Lääkehoito, interventionaaliset katetritoimenpiteet ja kirurgia eivät pysty parantamaan infarktin vuoksi kuollutta sydänlihaskudosta. Hoitojen teho perustuu perussairauden hidastamiseen ja oireiden helpottamiseen. Lopulta etenevä ja sydämen verenkiertoa heikentävä iskeeminen sairaus johtaa kuitenkin vasemman kammion toiminnan huononemiseen. Ainoa keino hoitaa loppuvaiheen sydämen vajaatoimintaa on kammion apupumppu tai sydämensiirto. Sydäntutkijat ovat jo vuosikymmeniä etsineet kliinisesti toteutettavissa olevaa, turvallista ja tehokasta hoitomuotoa korjaamaan vaurioitunutta sydänkudosta. Sydämen pinnalle laitettava eteiskorvakekudospaloja ja -soluryppäitä, mikrografteja, sisältävä kudossiirre on uusi hoito, joka voidaan antaa avosydänleikkauksen yhteydessä tukemaan sydämen vajaatoiminnan hoitoa. Tämä väitöskirjatutkimus tähtää arvioimaan kudossiirteen turvallisuutta ja toteutettavuutta avosydänkirurgian ja erityisesti sydämen ohitusleikkauksen yhteydessä. Potilaat ja menetelmät Tutkimuksessa I arvioimme turvallisuutta ja toimenpiteen toteutettavuutta sioilla vasemman etulaskevan sepelvaltimohaaran sulkemisen jälkeen syntyneen infarktin hoitoon. Kudossiirre valmistettiin erottamalla mekaanisesti mikrograftit oikeasta eteiskorvakkeesta otetusta kudospalasta. Kudossiirre valmistettiin sekoittamalla mikrograftit fibriinigeeliin ja levittämällä saatu seos matriisilevyn päälle. Valmis kudossiirre asetettiin infarktialueelle sydänlihaksen päälle. Neljä eläintä sai kudossiirteen ja neljä vastaavasti valmistetun siirteen ilman kudospaloja. Sydämen ultraääni tehtiin avoimelle sydämelle vasemman kammion pumppaustehon ja seinämän paksuuden arvioimiseksi ennen toimenpidettä sekä kolmen viikon seurannan jälkeen. Primääreinä päätetapahtumina arvioitiin toimenpiteen turvallisuutta sekä toteutettavuutta kliinisissä olosuhteissa avosydänleikkauksen yhteydessä. Tutkimuksiin II, III ja IV rekrytoitiin 12 iskeemisestä vajaatoiminnasta kärsivää potilasta, jotka olivat sairaalan leikkausjonossa elektiivistä koronaariohitusleikkausta varten. Sydämen magneettitutkimus tehtiin kaikille potilaille ennen leikkausta ja 6 kk leikkauksen jälkeen. Kuusi potilasta sai ohitusleikkauksen yhteydessä kudossiirteen ja kuusi potilasta ohitusleikattiin ilman kudossiirrettä. Lisäksi 30:n elektiivisesti ohitusleikatun potilaan tiedot kerättiin toista verrokkiryhmää varten. Heille ei tehty tutkimuksen vuoksi lisätutkimuksia tai toimenpiteitä.Kudossiirre valmistettiin oikean eteiskorvakkeen palasta erottamalla kudos mekaanisesti pieniksi paloiksi ja soluryppäiksi. Kudospalat sekoitettiin fibriinigeeliin ja levitettiin matriisipaikan päälle. Ennen leikkausta otetun sydämen magneettikuvauksen perusteella valittiin sopiva paikka kudossiirteelle infarktiarven alueelta. Potilailta otettiin laboratoriokokeita ja he vastasivat elämänlaatukyselyyn ennen leikkausta ja 6 kk leikkauksen jälkeen. Primäärit päätetapahtumat olivat 1) potilaiden turvallisuus hemodynaamisten ja sydämen toimintaan liittyvien määreiden mukaisesti seuranta-ajan aikana ja 2) menetelmän toteutettavuus kliinisissä olosuhteissa. Sekundaarisia päätetapahtumia olivat muutokset vasemman kammion seinämän paksuudessa, arven kudostilavuudessa, ejektiofraktiossa, plasman N-terminaalisen pro-B-tyypin natriuterisen peptidin tasossa (NT-proBNP), NYHA-luokassa, sairaala-ajassa ja elämänlaadussa. Tulokset Tutkimuksessa I koe-elämillä ei todettu siirteeseen liittyviä rytmihäiriöitä tai komplikaatioita kummassakaan ryhmässä. Kudossolusiirteen valmistaminen onnistui suunnitellusti leikkaussaliolosuhteissa. Eläimillä, jotka saivat kudosolusiirteen, todettiin vähemmän matriisin aiheuttamaa vierasesinereaktiota kuin pelkän geelisiirteen saaneilla elämillä. Vierasesinereaktion määrä todettiin merkittävästi vähäisemmäksi mitaten sekä reaktion paksuutta että tulehdussolujen määrää. Tutkimuksessa II, II ja IV kudossiirre todettiin turvalliseksi ja toteutettavaksi ohitusleikkauksen yhteydessä. Potilaiden toipumisessa leikkauksen jälkeen ei ollut eroja ryhmien välillä. Magneettitutkimuksen mukaan potilailla, jotka saivat kudossiirteen, todettiin merkittävästi suurempi tilavuus normaalisti toimivaa sydänlihaskudosta 6 kk leikkauksen jälkeen kuin kontrolliryhmän potilailla. Yhteenveto Eteiskorvakesoluja sisältävän kudossiirteen osoitettiin sopivan hyvin sydämen vajaatoiminnan hoidon avuksi sydämen avoleikkauksen yhteydessä. Tutkimuksessa todettu teho tulee vahvistaa laajempien satunnaistettujen kliinisten tutkimusten avulla. Vastaavanlaisten siirteiden käyttö tarjoaa hyvän mahdollisuuden jatkossa kehittää uusia lääke-, solu- tai geenipohjaisia epikardiaalisia hoitomuotoja sydämen vajaatoiminnan hoidoksi