Новый метод созревания человеческих сердечных клеток, который имитирует естественную среду роста сердечных клеток с применением электрических импульсов, имитирующих частоту сердечных сокращений человеческого плода, привел исследователей из Университета Торонто к потрясающему шагу вперед в кардиологических исследованиях.
Открытие, о котором было объявлено на этой неделе в научном журнале Nature Methods, предлагает кардиологам быстрый и надежный метод создания зрелых сердечных бляшек человека различных размеров.
"Вы не можете получить человеческие кардиомиоциты (клетки сердца) от пациентов-людей," объясняет Милика Радисич, канадский научный руководитель в области функциональной инженерии сердечно-сосудистой ткани и доцент Института биоматериалов & Биомедицинская инженерия (IBBME) и Департамент химической инженерии. Поскольку человеческие сердечные клетки, которые, например, являются неотъемлемой частью изучения эффективности сердечных препаратов, не размножаются естественным путем в больших количествах, на сегодняшний день исследователи используют сердечные клетки, полученные из перепрограммированных индуцированных человеком плюрипотентных стволовых клеток (hiPSC), которые, как правило, слишком незрелые, чтобы эффективно использовать их в исследованиях или трансплантации.
"Вопрос в следующем: если вы хотите тестировать лекарства или лечить взрослых пациентов, хотите ли вы использовать клетки и выглядеть и функционировать как кардиомиоциты плода??" – спрашивает Радишич, которого назвали "Лучший новатор до 35 лет" от MIT Technology Review, а совсем недавно был награжден Орденом Онтарио и наградой молодых инженеров Канады за достижения в 2012 году. "Можем ли мы созреть эти клетки, чтобы они стали больше похожи на взрослые клетки??"
В ответ на вызов Радишич и ее команда, в которую входят аспирант Джейсон Миклас и доктор. Сара Нунес, ученый из Университетской сети здравоохранения (UHN) в Торонто, создала «биопроволоку». Кардиомиоциты человека, полученные из стволовых клеток, засевают по шелковому шву, типичному для медицинских приложений. Шовный материал позволяет клеткам расти по своей длине, приближаясь к их естественной модели роста.
Как сцена из фильма Франкенштейна, клетки затем обрабатываются циклами электрических импульсов, как мягкая версия кардиостимулятора, который, как было показано, стимулирует клетки увеличиваться в размерах, соединяться и биться, как настоящая ткань сердца.
Но ключом к успешному и быстрому созреванию клеток оказывается способ применения импульсов.
Имитируя условия, которые возникают естественным образом при биологическом развитии сердца – по сути, моделируя увеличение частоты сердечных сокращений плода до рождения, команда увеличила скорость стимуляции клеток с нуля до 180 и 360 ударов в минуту.
"Мы обнаружили, что максимальный эффект достигается при максимальном использовании клеток в течение недели," сообщает Radisic.
Изготовленные на нити, которые можно вшивать непосредственно в пациента, биопроволока предназначена для полной трансплантации. Использование биоразлагаемых швов, важных для хирургических пластырей, которые останутся в теле, также является жизнеспособным вариантом.
Миклас утверждает, что исследование имеет практическое значение для здравоохранения. "Благодаря этому открытию мы можем сократить расходы на систему здравоохранения за счет более точного скрининга лекарств."
По словам Нунеса, разработка приближает кардиологическое исследование всего на один шаг к созданию жизнеспособных сердечных бляшек.
"Одна из самых больших проблем при трансплантации этих пятен – заставить клетки выжить," – говорит Нуньес, специалист по кардиологии и васкуляризации, "и для этого им нужны кровеносные сосуды. Наша следующая задача – соединить васкуляризацию с сердечными клетками."
Радишич, который называет новый метод "игровой чейнджер," указывает, насколько далеко продвинулась эта область за очень короткое время.
"В 2006 году наука впервые получила индуцированные плюрипотентные стволовые клетки у мышей," она объясняет. "Теперь мы можем превратить стволовые клетки в сердечные клетки и сделать относительно зрелую ткань из образцов человека, не опасаясь этических проблем."