Российские ученые впервые в мире изучили процесс формирования электрических контактов между пересаженными клетками сердца и тканями пациента — на наиболее уязвимом этапе, когда донорские и собственные клетки начинают работать как единая система. Добиться этого удалось благодаря созданию экспериментальной модели, в которой новые клетки фиксировались с помощью полимерных микроволокон. Результаты помогут разработать биологические кардиостимуляторы в виде клеточных патчей или инъекций. Такие решения позволят компенсировать сердечную недостаточность, корректировать аритмии и ускорять восстановление после инфаркта. Кроме того, технология открывает путь к созданию своеобразного клеточного «допинга» для сердца, повышающего его функциональные возможности.
Чем заменить «сломавшиеся» клетки сердца
Российские ученые впервые в мире изучили, как образуются электрические контакты между пересаженными и родными клетками сердечной мышцы (кардиомиоцитами). Полученные данные помогут создать кардиостимуляторы нового поколения — биоимпланты, то есть выращенные в лаборатории кусочки живой ткани, которые смогут заменить поврежденные участки сердца. Об этом «Известиям» рассказали в Минобрнауки РФ.
В исследовании приняли участие специалисты Московского физико-технического института, Федерального национального медицинского исследовательского центра трансплантологии и искусственных органов им. академика В.И. Шумакова и Национального медицинского исследовательского центра им. академика Е.Н. Мешалкина.
— Сердечно-сосудистые заболевания — одна из главных причин смертности в мире. В том числе серьезную проблему представляет дегенерация миокарда (сердечной мышцы). Например, в виде рубцов после инфаркта. Перспективной для решения этой задачи считают пересадку пациенту кардиомиоцитов, выращенных из его же стволовых клеток. Технология позволит заменить электрические кардиостимуляторы, — рассказал «Известиям» инженер лаборатории экспериментальной и клеточной медицины МФТИ Виталий Джабраилов.
Однако клиническое применение новых методов ограничено тем, что пересаженные клетки не всегда синхронизируют свою работу с окружающей тканью. В результате нескоординированные сокращения могут стать источником опасных аритмий. Поэтому необходимо знать, каким образом после трансплантации между новыми и «родными» клетками устанавливаются электрические мосты, уточнил он.
Как будут выглядеть новые биоимпланты
— Чтобы получить эти данные, была создана экспериментальная модель на крысах. Сначала ученые вырастили слой кардиомиоцитов, который имитирует сердце-реципиент. Затем на него пересадили выращенные клетки, предварительно «усадив» их на полимерные волокна, которые закрепляют клетки на подложке. Таким образом был воспроизведен в «чистом виде» самый ранний этап интеграции, когда новая клетка только-только касается ткани «хозяина», — пояснила заведующая лабораторией экспериментальной и клеточной медицины МФТИ Валерия Цвелая.
Пересаженные и родные клетки, пояснила она, формируют устойчивые контакты примерно через сутки. В исследовании же изучен начальный этап, когда клетки сокращаются еще независимо друг от друга, но постепенно начинают функционировать как единая ткань. Этот период наиболее уязвимый, поскольку новые клетки еще не до конца связались с организмом и процесс может пойти неправильно.
Результаты эксперимента дали точный ответ на вопрос о том, как в первые часы зарождающиеся межклеточные связи проводят электрический импульсы. В частности, оказалось, что такие контакты работают примерно в 40 раз хуже зрелых, сообщила специалист. При этом импульс проходит с задержкой почти в 300 миллисекунд, а синхронизация сокращений происходит лишь в 46% случаев.
— Таким образом, работа представляет собой прямое измерение функционального дефицита в первые минуты и часы интеграции трансплантата. Это принципиально новая информация для моделирования рисков аритмий при клеточной терапии. Теперь мы знаем, что есть окно в несколько часов, когда пересаженная ткань электрически уязвима, и эту уязвимость можно и нужно учитывать,— подчеркнула Валерия Цвелая.
По мнению исследователей, полученные данные могут стать основой для разработки безопасных протоколов клеточной терапии сердца. Например, если у пациента сердечная недостаточность, можно взять его стволовые клетки и на их основе создать биологический кардиостимулятор, который будет задавать нужный ритм.
— Это могут быть либо специальные патчи с клетками (своего рода заплатки), либо инъекции, которые содержат суспензию клеток на микроволокнах. Такие носители нужны для стабилизации клеток и ускорения их контакта с окружающими тканями. Это технология не ближайшего будущего, но идея очень перспективна, — отметил Виталий Джабраилов.
Теоретически на базе этой технологии можно представить и средства для создания «клеточного допинга» — повышения концентрации мышечных клеток в сердце для увеличения его возможностей, добавил он.
Три компонента для приживления клеток сердца
— Ценность работы — в том, что ученые представили объективную шкалу уязвимости трансплантата после контакта с тканью реципиента. Это позволяет по-новому взглянуть на природу аритмогенных рисков. Понимание временной «зоны риска» важно для разработки безопасных протоколов клеточной терапии, — пояснил «Известиям» руководитель центра превосходства «Персонифицированная медицина» Казанского (Приволжского) федерального университета, член-корреспондент Академии наук Республики Татарстан Альберт Ризванов.
При этом, отметил он, в эксперименте клетки изучали в идеальных условиях, но в клинической практике (особенно в тканевой инженерии) чаще используют биоактивные матрицы. Они не просто механически стабилизируют клетки, а активно воздействуют на них. Такие структуры ускоряют интеграцию, но одновременно вносят дополнительные переменные. Их важно учитывать.
Вместе с тем, чтобы клетки, выращенные в лаборатории, эффективно приживались, нужно объединить три компонента, добавил эксперт. Во-первых, необходим каркас-носитель, который доставит и зафиксирует их. Во-вторых, стимулирующие молекулы, которые помогут клеткам правильно работать на новом месте. И в-третьих, микросенсоры, которые будут следить за их электрической активностью.
— Основная проблема, которая есть в подобных работах, заключается в том, что на следующих этапах важно понять, как от однослойной модели перейти к объемной, — пояснил «Известиям» директор института персонализированной кардиологии Первого Московского государственного медицинского университета им. И.М. Сеченова Филипп Копылов.
Оказалось, что сделать правильный вектор кардиомиоцитов в объеме так, чтобы они все сокращались в унисон и в нужном направлении, — это крайне нетривиальная задача, которая пока не решена полноценно. Но как раз следующая проблема состоит в том, чтобы электрические контакты правильно передавали импульс. И именно к ее решению подошли коллеги, отметил эксперт.