Ученые выращивают клетки сердца в лабораторных условиях
Выращенный в лаборатории участок сердечной мышцы и других клеток может помочь в восстановлении после сердечного приступа, – пишет sciencemag.org.
Каждые 40 секунд у кого-то в Соединенных Штатах случается сердечный приступ, при котором до миллиарда клеток сердечной мышцы задыхаются. Эти потерянные клетки никогда не восстанавливаются, оставляя почти 800 000 человек в год инвалидами на всю жизнь, если им удается выжить.
За последние 20 лет Ненад Бурсак – биоинженер из Университета Дьюка в Дареме (штат Северная Каролина) разработал «заплатку», которая могла бы заменить клетки, разрушенные сердечным приступом. Он обнаружил, что у грызунов эта «заплатка» может подключаться к системе кровообращения и сокращаться. Пластырь Бурсака теперь большой и достаточно сложный: размером с фишку для покера (около 40 мм – ВМ) и толщиной с лист картона – его можно начинать тестировать на крупных животных, – заявил ученый на совещании Experimental Biology 2019 в Орландо (штат Флорида).
Отверстия по краям «заплатки» из выращенной в лаборатории человеческой сердечной ткани (слева) позволяют легче прикрепить ее к поврежденному сердцу. На увеличенном изображении заплатки на сердце мыши видны капилляры (красные), питающие мышечные клетки (зеленые) – ВМ.
Как и другие исследователи, пытающиеся восстановить поврежденные клетки сердца, Бурсак начинает со стволовых клеток, которые могут развиваться в специализированные ткани, такие как сердечная мышца. Но в то время как некоторые исследователи вводят сотни миллионов отдельных клеток сердечной мышцы в организм, команда Бурсака и несколько других групп выращивают в полноценные кусочки сердечной мышцы, которые хирурги могут прикрепить к поврежденному сердцу. «Это может стать трансформационным подходом», – говорит Ральф Маркусио – биолог развития в Школе медицины в Университете Калифорнии (Сан-Франциско). Исследования Бурсака «являются лучшими в этой области», добавляет Мартин Даннвальд – клеточный биолог из Университета Айовы в Айова-Сити.
В какой-то момент кардиологи решили, что в сердце есть тайный запас стволовых клеток, которые можно стимулировать для естественного восстановления органа, но теперь большинство биологов соглашаются, что таких клеток в сердце не существует. Альтернатива в ранних клинических испытаниях – сделать клетки сердечной мышцы в лаборатории из других стволовых клеток, ввести их в артерию, снабжающую сердце, и надеяться, что они осядут в органе и компенсируют любую мертвую ткань.
Бурсак скептически относится к такому подходу, потому что процент клеток, которые выживают после инъекции и попадают в сердце, очень мал. Его подход требует операции на открытом сердце, но он обеспечивает способ восстановления, которое более точно учитывает тип клеток и архитектуру реального органа.
Бурсак начал это исследование, будучи аспирантом. Он в лабораторных условиях превращал неонатальные клетки крысы в клетки сердечной мышцы, способные сокращаться – это впервые удалось сделать для млекопитающих. Другие исследователи разработали крошечные образцы тканей сердца для тестирования лекарств в лабораторных условиях. Но Бурсак хотел исправить сердца напрямую. За годы работы его команда узнала, что лучшие каркасы для культивирования стволовых клеток получается из фибрина – белка, который помогает образовывать сгустки крови, а лучший способ вырастить эти каркасные клетки – осторожно раскачивать их внутри подвесной рамы, которая позволяет растущему пластырю двигаться вперед и назад в жидкой среде. «Эти клетки созревают и умеют сильно сокращаться», – говорит Бурсак.
В 2016 году, когда его лаборатория выяснила, как производить эти мощные сокращения, сердечные «заплатки» были крошечными. Затем, 2 года назад, команда вырастила кусочек сердечной мышцы размером 4 на 4 см – потенциально достаточно большой, чтобы восстановить поврежденное человеческое сердце.
«Размер впечатляет, – говорит Кристофер Чен – биоинженер из Бостонского университета. – Это предполагает, что вы можете достичь шкалы, которая является клинически значимой».
Команда Бурсака также показала на грызунах, что кровеносные сосуды сердца могут прорастать в пластырь, чтобы поддерживать его живым. В последнее время ученые также добавляют в «заплатку» популяции эндотелиальных клеток, которые развиваются в кровеносные сосуды, и фибробластных клеток, которые помогают в ее формировании и укреплении. По мнению Бурсака, пока оптимальным соотношением клеток в пластыре является 70% клеток сердечной мышцы и 30% двух других видов клеток.
Исследователи уже поняли, что, когда пластырь имплантируется крысам и мышам, его капиллярная сеть соединяется с кровеносной системой грызунов. Однако пока ученые не знают, поможет ли это долгосрочному сохранению искусственно созданного участка мышцы.
Также не ясно, будет ли и каким образом пластырь электрически и механически интегрирован с исходным сердцем, чтобы они функционировали как целостная единица. «Заплатка» будет пришиваться к наружной стороне поврежденного сердца, над рубцовой тканью, что затрудняет развитие мышечной координации.
Возможно, ученым удастся найти ответ, проводя испытания на свиньях или других крупных животных.
Есть и опасения по поводу использования нового метода. Мишель Таллквист – сердечно-сосудистый биолог из Гавайского медицинского университета им. Джона А. Бернса в Гонолулу – обеспокоен тем, что изготовление пластыря для человека, перенесшего сердечный приступ, может занять слишком много времени – до 6 месяцев, если в качестве отправной точки использовать сердечные клетки самого пациента.
По словам Бурсака, этого можно избежать, создав банк иммунологически подобранных стволовых клеток, которые могут быть при необходимости внедрены в искусственный «пластырь» всего за 3 недели.
Возможно, в скором времени ученым удастся заменять мертвые сердечные клетки живыми, способными биться и сокращаться.
«Научная Россия»
Портал «Вечная молодость» http://vechnayamolodost.ru
