Биомедицинские инженеры из Университета Дьюка вырастили трехмерную сердечную мышцу человека, которая действует как естественная ткань. Это достижение может иметь важное значение для лечения пациентов с сердечным приступом или служить платформой для тестирования новых лекарств от болезней сердца.
В "патч на сердце" выращенный в лаборатории из человеческих клеток преодолевает два основных препятствия, с которыми сталкиваются методы лечения на основе клеток: пластырь проводит электричество примерно с той же скоростью, что и естественные клетки сердца, и "сжимает" соответственно. Более ранние попытки создать функциональные сердечные пластыри в значительной степени не смогли преодолеть эти препятствия.
В качестве исходных клеток исследователи Дьюка использовали эмбриональные стволовые клетки человека. Эти клетки являются плюрипотентными, что означает, что при получении правильных химических и физических сигналов ученые могут уговорить их превратиться в любые клетки – в данном случае клетки сердечной мышцы, известные как кардиомиоциты.
"Структурные и функциональные свойства этих трехмерных тканевых пластырей превосходят все предыдущие отчеты о сконструированной сердечной мышце человека," сказал Ненад Бурсак, доцент кафедры биомедицинской инженерии в Duke’s Pratt School of Engineering. "На сегодняшний день это наиболее близкое рукотворное изображение естественной ткани сердца человека."
Результаты исследования Бурсака, которое проводится при поддержке Национального института сердца, легких и крови, были опубликованы в Интернете в журнале Biomaterials.
Бурзак сказал, что этот подход не включает генетические манипуляции с клетками.
"В прошлых исследованиях кардиомиоциты, полученные из стволовых клеток человека, не были способны одновременно быстро проводить электрическую активность и сильно сокращаться, как нормальные кардиомиоциты," Бурзак сказал. "Благодаря оптимизации трехмерной среды для роста клеток мы смогли «подтолкнуть» кардиомиоциты к беспрецедентному уровню электрического и механического созревания."
Скорость функционального созревания – важный элемент, чтобы пластырь стал практичным. В развивающемся человеческом эмбрионе для развития функционирующего сердца новорожденного требуется около девяти месяцев и еще несколько лет для достижения взрослого уровня функционирования; однако улучшение функциональных свойств этих биоинженерных пластырей заняло чуть больше месяца, сказал Бурсак. По его словам, по мере развития технологий время должно сокращаться.
"В настоящее время требуется от пяти до шести недель, начиная с плюрипотентных стволовых клеток, чтобы вырастить высокофункциональный патч сердца," Бурзак сказал.
"Когда у кого-то случается сердечный приступ, часть сердечной мышцы умирает," Бурзак сказал. "Наша цель – имплантировать пластырь из новой и функциональной сердечной ткани в место травмы как можно быстрее после сердечного приступа. Использование собственных клеток пациента для генерации плюрипотентных стволовых клеток добавит дополнительных преимуществ, поскольку, вероятно, не будет реакции иммунной системы, поскольку клетки в пластыре будут распознаваться организмом как собственные."
В дополнение к возможному лечению пациентов с сердечными заболеваниями, Бурсак сказал, что искусственные ткани сердца также могут быть использованы для эффективного скрининга новых лекарств или методов лечения.
"Испытания или испытания новых лекарств могут быть дорогими и трудоемкими," Бурзак сказал. "Вместо или вместе с тестированием лекарств на животных, возможность тестирования на реальных, функционирующих человеческих тканях может быть более предсказуемой в отношении эффектов лекарств и помочь определить, какие лекарства следует продолжить для дальнейших исследований."
Некоторые тесты на наркотики проводятся на двумерных листах сердечных клеток, но, по словам Бурсака, трехмерная модель культуры обеспечивает превосходную среду для функционального созревания клеток. Ожидается, что это будет лучше имитировать реальную реакцию сердечной мышцы на различные лекарства или токсины. Сконструированные ткани сердца, созданные из клеток пациентов с кардиологическим генетическим заболеванием, могут быть использованы в качестве модели для изучения этого заболевания и изучения возможных методов лечения.
Текущие эксперименты проводились на одной линии плюрипотентных стволовых клеток человека. Бурсак и его коллеги воспроизвели свои выводы на двух других клеточных линиях и тестируют дополнительные линии. Они также планируют перейти к более крупным моделям животных, чтобы узнать, как пластырь будет функционально интегрирован со своим хозяином и как пластырь устанавливает связи с кровеносной системой.