Российские ученые создали систему для анализа работы сердца на клеточном уровне. Она позволяет быстро оценить, насколько орган готов к трансплантации, если, например, были превышены стандартные сроки его доставки до нуждающегося пациента. Также устройство дает возможность испытать различные методы лечения на клеточном материале больного и выбрать самое эффективное средство для него. Изобретение будет полезно и для клинических исследований кардиопрепаратов. По словам экспертов, полученные данные пригодятся как при обычных операциях на сердце, так и при пересадках.
Готовность сердца к трансплантации
Ученые МФТИ создали инновационную систему для анализа работы сердечной ткани. Разработка позволяет одновременно анализировать электрическую активность клеток и их метаболическое состояние. Изобретение можно использовать для определения готовности донорского органа к трансплантации, а также для поиска наиболее эффективного персонифицированного лечения. Для этого с помощью комплекса можно проверить, как на клетки конкретного пациента влияют те или иные лекарства, и выбрать из них оптимальное.
— Предложенная нами система позволяет оптическими методами увидеть, как работают отдельные молекулы в митохондриях клеток сердца. Если с ними что-то не так, то мы это увидим. При пересадке сердца от одного человека к другому их совместимость поверяют генетическими методами. Если находят подходящего донора, то по протоколу есть четыре часа, чтобы доставить орган. Однако часто не удается уложиться в этот стандарт. И тогда с помощью нашего метода можно понять, осталось сердце пригодным к трансплантации или нет, — рассказал автор исследования, старший научный сотрудник лаборатории экспериментальной и клеточной медицины МФТИ Михаил Слотвицкий.
Также для анализа в системе можно из крови пациента получить стволовые клетки, которые затем преобразуются в сердечные и сформируют небольшой участок ткани человека. На них можно смоделировать различные виды лечения и подобрать наиболее эффективный, добавил ученый.
Созданный в МФТИ лабораторный комплекс сочетает мощный микроскоп, высокоскоростную камеру и специальное программное обеспечение. Принцип работы системы основан на методе двухпараметрического оптического картирования: с помощью специальных флуоресцентных красителей и камеры она фиксирует два ключевых показателя: электрические импульсы в клетках сердца и их «энергетический уровень». Разрешение системы составляет 117 микрон и позволяет разглядеть элементы размером в десятую долю миллиметра при скорости съемки 130 кадров в секунду. Этот «умный микроскоп» позволяет видеть, как клетки сердца реагируют на нехватку кислорода или действие лекарств, что особенно важно для тестирования новых препаратов и изучения механизмов сердечных заболеваний.
— Наша разработка позволяет впервые одновременно наблюдать за электрической активностью сердца и метаболическими процессами в клетках. Это дает принципиально новые возможности для изучения механизмов сердечных заболеваний и тестирования лекарственных препаратов, — добавил Михаил Слотвицкий.
Ученые испытали новый метод на специальных растворах, которые используют при операциях на сердце. Тесты показали, что перспективный нормотермический раствор временно уменьшает электрическую активность клеток сердца на 39%, когда им не хватает кислорода. Раствор Custodiol при ишемии может полностью «отключать» клетки сердца без возможности восстановления.
По словам ученых, разработка также может найти применение в доклинических испытаниях лекарств. В ближайшие три года авторы планируют адаптировать метод для скрининга противоопухолевых препаратов и изучения генетических форм сердечных заболеваний.
Как сердце готовят к пересадке
Разработка позволит лучше понять сложные процессы, лежащие в основе электрофизиологии и патофизиологии сердца. Она открывает новые возможности для динамического и неинвазивного мониторинга состояния клеток сердечной мышцы. Особо ценно, что исследование затрагивает влияние широко используемых растворов (Нормакор и Кустодиол), демонстрируя их как обратимые, так и необратимые изменения возбудимости. Это имеет прямое значение для клинической практики при проведении кардиохирургических вмешательств и трансплантации, пояснила «Известиям» доцент кафедры гистологии, цитологии и эмбриологии, завлабораторией молекулярной патофизиологии НИИ молекулярной и клеточной медицины РУДН Полина Вишнякова.
— Полученные данные о долгосрочном влиянии на возбудимость сердечных клеток подчеркивают необходимость тщательного выбора и оптимизации мер защиты миокарда и сохранения его функции. Работа открывает перспективы для дальнейших исследований механизмов кардиотоксичности и разработки более безопасных методов защиты сердца при трансплантации, — отметила она.
Как рассказал «Известиям» кардиохирург Юрий Островский, устройство для определения состояния сердца при превышении стандартных сроков доставки органа для пересадки было бы полезно трансплантологам. Такие ситуации возникают достаточно часто. По статистике, это 5–10% случаев первичной недостаточности трансплантата.
Работа выполнена совместно с Университетом ИТМО при поддержке Российского научного фонда.