Исследователи преодолевают серьезное препятствие для восстановления сердца стволовыми клетками.
Исследователи из Медицинской школы Вашингтонского университета в Сиэтле создали стволовые клетки, которые не вызывают опасных аритмий — осложнений, которые на сегодняшний день сводят на нет усилия по разработке терапии стволовыми клетками для поврежденного сердца.
«Мы нашли то, что нам нужно сделать, чтобы сделать эти клетки безопасными», — сказала Сильвия Марчиано, научный сотрудник лаборатории Чака Мерри в Медицинском институте стволовых клеток и регенеративной медицины Университета Вашингтона. Марчиано является ведущим автором статьи с описанием результатов, опубликованной в четверг, 6 апреля, в журнале Cell Stem Cell. Работа выполнена в сотрудничестве с сиэтлской компанией Sana Biotechnology.
В предыдущих исследованиях команда Марри использовала клетки сердечной мышцы , созданные из стволовых клеток, для восстановления повреждений сердечной мышцы , вызванных инфарктом миокарда. Этот тип сердечного приступа возникает, когда блокируется приток крови к сердечной мышце, что приводит к гибели клеток сердца. Клетки сердца не регенерируют, поэтому пораженная мышца заменяется рубцовой тканью. Это ослабляет сердце и ухудшает его способность перекачивать кровь. Серьезное повреждение может привести к сердечной недостаточности и смерти.
Для создания своих терапевтических клеток сердца исследователи из Сиэтла использовали плюрипотентные стволовые клетки . В отличие от взрослых стволовых клеток , которые специализировались на превращении в определенные типы клеток, плюрипотентные стволовые клетки могут стать клетками любого типа в организме.
С 2012 по 2018 год команда из Сиэтла успешно вводила плюрипотентные стволовые клетки в поврежденные стенки сердца, чтобы создать новые мышцы взамен утраченных во время инфаркта. В исследованиях на животных они показали, что пересаженные клетки интегрируются с сердечной мышцей, сокращаются синхронно с другими сердечными клетками и улучшают сократительную способность сердца. Эти результаты показали, что терапия стволовыми клетками потенциально может быть использована для спасения поврежденных сердец.
Но было одно серьезное осложнение. В первые недели после приживления сердце билось с опасно высокой частотой. Если не будет найден способ предотвратить или подавить эту проблему, стволовые клетки не смогут стать безопасным средством лечения инфаркта миокарда и сердечной недостаточности.
«Наша цель — создать работающие сократительные клетки, которые не будут пытаться задавать собственный темп», — сказал Мюрри.
В зрелом сердце частота сердечных сокращений регулируется специализированными клетками, называемыми пейсмекерами. Эти клетки через равные промежутки времени генерируют электрические сигналы, которые заставляют другие клетки сердца сокращаться.
В клетках кардиостимулятора напряжение колеблется от отрицательного (гиперполяризованного) к положительному (деполяризованному). Мерри сравнивает это с метрономом, когда положительные ионы проникают в клетку и выходят из нее по этим каналам. Скорость, с которой происходит этот цикл реполяризации и деполяризации, определяет частоту сердечных сокращений.
Однако в ранних эмбриональных сердцах эта система, в которой относительно небольшое число клеток стали специализированными пейсмекерными клетками, а остальные превратились в покоящиеся сократительные клетки, не развилась. Все клетки являются водителями ритма. Марри и его коллеги подозревали, что привитые стволовые клетки ведут себя как ранние эмбриональные клетки, хаотично генерирующие сигналы и вызывающие опасные сердечные ритмы.
Чтобы выяснить, что заставляет эти клетки вести себя таким образом, исследователи использовали метод, называемый секвенированием РНК, чтобы выяснить, какие ионные каналы образуются в разное время по мере созревания клеток. Секвенирование показало, что некоторые типы ионных каналов появляются в начале развития, а затем исчезают по мере созревания клетки, в то время как другие типы ионных каналов появляются позже в развитии. Подобно раскрывающейся тайне, это дало исследователям список подозреваемых.
Чтобы определить, какие ионные каналы были виновниками переноса тока, вызывающего аритмию, ученые использовали редактирование генома на основе CRISPR, чтобы систематически отключать деполяризующие гены или активировать реполяризующие гены. Это оказалось на удивление сложным. Они предположили, что аритмию вызывает один ионный канал, но ни одно из изменений одного гена не устраняло быстрые сердечные ритмы. Затем исследователи предприняли кропотливый процесс «проигрывания комбинаций», выполняя двойное и тройное редактирование генов. Досадно, что ни одно из этих изменений не устраняло аритмию, а некоторые, казалось, усугубляли ее.
Наконец, ученые создали линию стволовых клеток, в которой были нокаутированы три деполяризующих гена и активирован один реполяризующий ген. Это помогло. Клетки сердечной мышцы, полученные из этих стволовых клеток, были электрически неподвижны, как сердечная мышца взрослого человека, но они сокращались, когда им давали электрический сигнал, чтобы имитировать естественный кардиостимулятор. Исследователи назвали эти клетки «МЕДУЗА» (за модификацию электрофизиологической ДНК для понимания и подавления аритмий). Кардиомиоциты MEDUSA приживаются в сердце, созревают во взрослые клетки, электрически интегрируются в сердечную мышцу и бьются синхронно с естественным ритмом, не вызывая опасной частоты сердечных сокращений. Это, по словам Марри, является непременным условием регенерации сердца.
Марри предупреждает, что необходимо будет провести дополнительные испытания с искусственными клетками, но добавляет: «Я думаю, что мы преодолели самое большое препятствие на пути к регенерации человеческого сердца».
