«Самосборка» маленького сердца в чашке Петри. Бьется как настоящее.

20 мая 2021

Под бдительными взорами ученых стволовые клетки в лабораторных чашах собрались в крошечные органоиды (размером примерно с кунжутное семечко) и начали ритмично сокращаться, словно миниатюрные реальные сердца.

Чтобы добиться подобной самоорганизации, исследовательская группа подвергала стволовые клетки воздействию набора белков и молекул, известных своим участием в раннем внутриутробном формировании сердца у плода. Отчет о результатах опубликован 20 мая 2021 года в журнале Cell. Эти протеиновые и некоторые другие молекулы связываются с рецепторами на поверхности стволовых клеток, инициируя их дифференциацию в различные типы специализированных клеток, присутствующих в тканях миокарда человека.

За неделю развития клетки «рассортировали» себя в полые камероподобные структуры, аналогичные левому желудочку сердца. Более того, клетки этих камер начали ритмично сокращаться, напоминая сердцебиение.

«Больше всего нас интересует процесс развития человеческого сердца, а также причины возможных сбоев в этом процессе, которые приводят, например, к врожденным порокам сердца. Такие дефекты обычно появляются на ранних сроках вынашивания беременности, однако невозможно напрямую проследить, как именно это происходит. Мы не можем заглянуть в это окошко; по сути, это черный ящик».

Саша Менджан, старший автор, руководитель группы в Институте молекулярных биотехнологий Австрийской академии наук.

Биотехнология способных к самоструктуризации органоидов (кардиоидов, как назвали их авторы разработки) создавалась именно с этой целью: открывается уникальная возможность проследить самые ранние стадии органогенеза. Кроме того, исследования кардиоидов в перспективе могут привести к новому пониманию механизмов развития некоторых сердечнососудистых заболеваний у взрослых, когда поврежденные клетки сердца регрессируют до состояния, подобного внутриутробному, – однако регенерировать такие клетки, в отличие от эмбриональных, уже не способны.

Одним из независимых, не принимавших участие в исследовании экспертов-рецензентов выступал Йинг Мэй, доцент биоинженерии из Университета Клемсона (штат Южная Каролина, США). Высоко оценив разработанный авторами подход и опубликованные результаты, эксперт подчеркнул: «Насколько мне известно, это первая успешная разработка подобного рода».

Однако и сам Мэй с коллегами, – специалистами в т.н. каркасной тканевой инженерии, – в 2020 году опубликовали в журнале Nature Biomedical Engineering отчет о создании состоящего из сердечных клеток органоида, который использовался как модель для исследования механизмов сердечного приступа и мог применяться в доклинических испытаниях кардиотропных лекарственных средств. И все же Йинг Мэй объективен: их разработка (также новаторская и вполне успешная) позволяла проследить патогенез сердечных дисфункций, – но не процесс формирования миокарда как такового.

Группа Менджана затратила массу усилий и довольно много времени, пока удалось подобрать необходимую комбинацию органических молекул, способную активировать стволовые клетки. «А дальше они уже сами знали, что делать», – скромно замечает С.Менджан. По его словам, с момента запуска процесса главное – это ни во что не вмешиваться, лишь обеспечивая клетки  «топливом», необходимым для роста в культуре.

Кардиоиды представляют собой крошечные органические сферы диаметром около 0.04 дюйма (1 мм), которые волнообразно сокращаются и тем самым сжимают жидкость во внутренней полости. Как отмечает С.Менджан, это аналогично камере левого желудочка сердца плода на 28 день беременности.

Исследовательская группа провела также некоторые эксперименты, моделирующие повреждение клеток миокарда на ранних этапах развития. Отдельные зоны кардиоидов подвергались воздействию низких температур с помощью охлажденной стальной иглы, что разрушало часть клеток. В ответ кардиоиды направили поток клеток-фибробластов, из которых вокруг погибших клеток сформировался своеобразный защитный каркас, позволивший органоиду сохранить общую структурную целостность.

Эти ранние стадии процессов восстановления уже наблюдались на животных моделях. «Но они никогда не были прослежены in vitro, – говорит С.Менджан. – Думаю, мы видим это впервые, поскольку кардиоиды ведут себя практически так же, как это было бы в реальном живом органе».

Авторы публикации признаю́т тот факт, что очень многие аспекты остаются пока непонятными, а результаты носят преимущественно эмпирический характер: состав протеинового «детонатора» найден методом проб и ошибок; неясны причины именно такого, а не иного отклика на повреждение, и т.д. Однако нет никаких сомнений в том, что исследования в данном направлении чрезвычайно перспективны, – и они, безусловно, будут продолжены.

 

По материалам сайта Live Science и других источников