Исследователи из Массачусетской больницы общего профиля (MGH) предприняли некоторые начальные шаги к созданию биоинженерных человеческих сердец с использованием донорских сердец, лишенных компонентов, которые могли бы генерировать иммунный ответ, и клеток сердечной мышцы, генерируемых из индуцированных плюрипотентных стволовых клеток (ИПСК), которые могут происходить из потенциальный получатель. Исследователи описали свои достижения, в том числе разработку автоматизированной системы биореактора, способной поддерживать все человеческое сердце в процессе рецеллюляризации, ранее в этом году в Circulation Research.
"Создание функциональной сердечной ткани требует решения нескольких задач," говорит Жак Гайетт, доктор философии из Центра регенеративной медицины MGH (CRM), ведущий автор отчета. "К ним относятся обеспечение структурного каркаса, способного поддерживать сердечную функцию, снабжение специализированных сердечных клеток и поддерживающую среду, в которой клетки могут повторно заселять каркас с образованием зрелой ткани, способной выполнять сложные сердечные функции."
Исследовательскую группу возглавляет Харальд Отт, доктор медицины, MGH CRM и хирургического отделения, старший автор статьи. В 2008 году Отт разработал процедуру удаления живых клеток из донорского органа с помощью раствора детергента и последующего заселения оставшегося каркаса внеклеточного матрикса клетками соответствующих органов. С тех пор его команда использовала этот подход для создания функциональных почек и легких крыс и децеллюляризовала сердца, легкие и почки крупных животных. В этом отчете впервые проведен подробный анализ матричного каркаса, оставшегося после децеллюляризации всего сердца человека, наряду с рецеллюляризацией сердечного матрикса в трехмерном формате и в формате всего сердца.
В исследовании участвовало 73 сердца человека, пожертвованные через Банк органов Новой Англии, признанные непригодными для трансплантации и извлеченные с согласия исследователя. Используя увеличенную версию процесса, первоначально разработанного на сердцах крыс, команда децеллюляровала сердца как от доноров с мертвым мозгом, так и от тех, кто перенес сердечную смерть. Подробная характеристика оставшихся сердечных каркасов подтвердила высокую степень удерживания белков матрикса и структуру, свободную от сердечных клеток, сохранение коронарных сосудов и микрососудистых структур, а также отсутствие лейкоцитарных антигенов человека, которые могут вызвать отторжение. Между реакциями органов двух донорских групп на сложный процесс децеллюляризации не было большой разницы.
Вместо использования генетических манипуляций для создания ИПСК из взрослых клеток, команда использовала новый метод перепрограммирования клеток кожи с помощью факторов информационной РНК, который должен быть более эффективным и с меньшей вероятностью столкнуться с регуляторными препятствиями. Затем они индуцировали плюрипотентные клетки к дифференцировке в клетки сердечной мышцы или кардиомиоциты, документируя паттерны экспрессии генов, отражающие этапы развития и генерируя клетки в достаточном количестве для возможного клинического применения. Затем кардиомиоциты пересевали в трехмерную матричную ткань, сначала в тонкие срезы матрикса, а затем в волокна толщиной 15 мм, которые через несколько дней в культуре превратились в спонтанно сокращающуюся ткань.
Последний шаг отражал первую регенерацию сердечной мышцы человека из плюрипотентных стволовых клеток в бесклеточной матрице всего сердца человека. Команда доставила около 500 миллионов кардиомиоцитов, полученных из ИПСК, в стенку левого желудочка децеллюляризованного сердца. Органы были установлены в течение 14 дней в автоматизированной биореакторной системе, разработанной командой MGH, которая одновременно перфузировала орган питательным раствором и применяла факторы стресса окружающей среды, такие как желудочковое давление, для воспроизведения условий в живом сердце. Анализ регенерированной ткани обнаружил плотные области клеток, полученных из ИПСК, которые имели вид незрелой ткани сердечной мышцы и демонстрировали функциональное сокращение в ответ на электрическую стимуляцию.
"Восстановление всего сердца, безусловно, является долгосрочной целью, которая наступит через несколько лет, поэтому в настоящее время мы работаем над созданием функционального пластыря для миокарда, который мог бы заменить сердечную ткань, поврежденную из-за сердечного приступа или сердечной недостаточности," говорит Гайетт. "Среди следующих шагов, которые мы преследуем, – улучшение методов генерации еще большего количества сердечных клеток – рецеллюляризация всего сердца потребует десятков миллиардов – оптимизация методов культивирования на основе биореакторов для улучшения созревания и функции сконструированной сердечной ткани, а также электронная интеграция регенерированной ткани функционировать в сердце получателя."
Руководитель группы Отт, доцент кафедры хирургии Гарвардской медицинской школы, добавляет:, "Создание персонализированного функционального миокарда из клеток, полученных от пациентов, является важным шагом на пути к новым стратегиям разработки устройств и потенциально позволит моделировать заболевания, специфичные для пациента, и терапевтические открытия. Наша команда рада и дальше развивать обе эти стратегии в будущих проектах."