Биомедицинские инженеры вырастили миниатюрные кровеносные сосуды человека, которые проявляют многие симптомы и реакции на лекарства, связанные с синдромом Хатчинсона-Гилфорда Прогерии – чрезвычайно редким генетическим заболеванием, которое вызывает симптомы, напоминающие ускоренное старение у детей.
Технология поможет врачам и исследователям быстрее проверять потенциальные лекарственные средства от болезни с целью в конечном итоге создать платформу для персонализированного скрининга. Этот метод также предлагает новый способ изучения других редких заболеваний и может дать представление о лечении сердечных заболеваний у пожилых людей.
Исследование было опубликовано онлайн 15 августа в журнале Scientific Reports.
"Один из препаратов, которые в настоящее время прописывают от этого заболевания, продлевает жизнь пациентам на три месяца, и это считается большим подвигом," сказал Ли Атчисон, докторант биомедицинской инженерии в Университете Дьюка и первый автор исследования. "Они ищут все, что продлит жизнь даже на несколько месяцев. Это так ужасно."
Синдром прогерии Хатчинсона-Гилфорда – или для краткости просто прогерия – это ненаследственное генетическое заболевание, вызванное одноточечной мутацией в геноме. Это настолько редкое и смертоносное заболевание, что в настоящее время во всем мире известно всего около 250 случаев.
Прогерия вызывается дефектным белком, называемым прогерином, который накапливается вне ядра клетки, а не становится частью ее структурной поддерживающей системы. Это приводит к тому, что ядро принимает ненормальную форму и препятствует его способности делиться. Возникающие в результате симптомы очень похожи на ускоренное старение, и пораженные пациенты обычно умирают от сердечных заболеваний, вызванных ослабленными кровеносными сосудами, в возрасте до 14 лет.
"Прогерия не считается наследственной, потому что никто не живет достаточно долго, чтобы передать ее," сказал Джордж Траски, R. Юджин и Сьюзи Э. Гудсон профессор биомедицинской инженерии в Duke. "В настоящее время в клинических испытаниях участвуют 75 детей, что удивительно, учитывая редкость заболевания. Но с 15 соединениями, рассматриваемыми для испытаний, математика в конечном итоге не сработает. Вы не можете попробовать все эти препараты или их различные комбинации на людях, поэтому мы надеемся, что наша платформа предоставит альтернативный способ их тестирования."
Кровеносные сосуды сложно моделировать, потому что их стенки состоят из нескольких слоев клеток, включая эндотелий и среду. Эндотелий – это внутренняя оболочка всех кровеносных сосудов, которая взаимодействует с циркулирующей кровью. Среда состоит в основном из гладкомышечных клеток, которые помогают контролировать поток и давление крови внутри.
Исследователи считают, что именно разрушение этих гладкомышечных клеток в конечном итоге приводит к сердечным заболеваниям и отказу, которые так часто убивают пациентов с прогерией. Но из-за того, что людей с прогерией так мало, изучать на самих пациентах крайне сложно.
"Поскольку это заболевание сложно изучать, мы хотели посмотреть, сможем ли мы создать платформу с использованием человеческих клеток, которая более точно представляет болезнь, а затем использовать ее для тестирования на наркотики," сказал Атчисон. "Поэтому мы попытались вырастить миниатюрные искусственные кровеносные сосуды, используя индуцированные плюрипотентные стволовые клетки, полученные из клеток, взятых у пациентов с прогерией."
План сработал. Всего за четыре недели роста сконструированные кровеносные сосуды проявляют многие симптомы, наблюдаемые у людей с этим заболеванием, – симптомы, которые простые культуры клеток не смогли воссоздать. Кровеносные сосуды также реагируют на лекарственные препараты, раскрывая нюансы того, как работают современные методы лечения.
Хотя кровеносные сосуды показали улучшенную функцию после недели приема аналога рапамицина, лекарство, известное как эверолимус, кальциноз и другие симптомы сердечно-сосудистых заболеваний остались. Это означает, что препарат помогает гладким мышечным клеткам работать лучше, но не устраняет основные симптомы.
"Вот почему наша система может быть такой полезной," сказал Атчисон. "Он мог бы сказать нам, что именно делает лекарство, быстрее и с большей пропускной способностью, и нужно ли нам второе лечение для лечения других аспектов болезни."
Успех может помочь в изучении и других редких заболеваний.
"Главное, чем мы довольны, это то, что это служит доказательством принципа создания сосудистой модели редкого заболевания в лаборатории, чтобы лучше понять его и, надеюсь, разработать терапию," сказал Труски.
Исследование также может помочь понять, почему некоторые пожилые люди становятся особенно предрасположенными к сердечным заболеваниям. Многие пациенты с сердечными заболеваниями показали одинаковое накопление белка прогерина, поэтому исследователи полагают, что между этими двумя состояниями может быть связь.
Конечно, у новых искусственных кровеносных сосудов есть ограничения. Они не связаны с какими-либо внешними органами и не встроены в сложную биологию живого человека.
"В этом исследовании мы создали клетки гладких мышц только у пациентов с прогерией, но их эндотелиальные клетки также могут играть важную роль," сказал Атчисон. "Если мы сможем включить в модель эндотелиальные клетки, полученные из собственных клеток пациентов, то мы сможем создать более персонализированную платформу тестирования для этих пациентов."