От сердечно-сосудистых заболеваний ежегодно умирают около 17,9 млн человек. В течение жизни из-за стрессов и болезней в сердечной мышце человека накапливаются повреждения, которые серьезно затрудняют ее работу. Теоретически один из самых простых способов восстановления сердечных тканей — естественное замещение поврежденного участка здоровыми стволовыми клетками своего же организма.
К сожалению, после многочисленных исследований этот метод оказался гораздо менее эффективным, чем ожидалось. Введение стволовых клеток не гарантирует, что они будут дифференцироваться в правильные кардиомиоциты, а введение культивируемых сердечных клеток не гарантирует их выживания и функционального слияния с тканью хозяина. В последнем случае основная проблема заключается в том, что одиночные кардиомиоциты теряют свою структуру и становятся очень хрупкими и невозбудимыми. Сцепление вводимых клеток с сердцем и восстановление структуры и возбудимости кардиомиоцитов занимает несколько часов, в течение которых клетки должны отдыхать и не подвергаться механическим воздействиям. Последнее условие трудновыполнимо в живой сердечной ткани.
Преодолеть эту проблему возможно с помощью каркаса, который сохранит структуру вживляемых клеток. Но сам каркас может затруднить инъекцию. Чтобы разрешить это противоречие, ученые лаборатории экспериментальной и клеточной медицины Московского физико-технического института разработали молекулярные носители. Они сочетают в себе завернутый (а не внешний) полимерный каркас, который окружает клетку и обеспечивает восстановление возбудимости, потерянной при заборе клеток, непосредственно перед вживлением. Он также обеспечивает покрытие человеческим белком — фибронектином, который инициирует процесс закрепления трансплантата к ткани и может нести флуоресцентные маркеры для внешнего контроля положения клеток.
«Одной из нашей целей является решение основной проблемы трансплантации — приживаемости клеток. И мы начали свой путь с самого начала, с доставки. К сожалению, лечение таких распространенных болезней, как инфаркт, фиброз, аритмия, не проходит в один этап. Одна операция сменяет другую. Любая пересадка вызывает иммунный ответ, и пациенты вынуждены постоянно принимать иммуносупрессоры. Чтобы этого избежать, мы ищем другие подходы к лечению. В том числе совершенствуем клеточную терапию», — рассказывает сотрудник лаборатории Алерия Аитова.
Установка для быстрой трансплантации кардиомиоцитов с полимерными нановолокнами. © Лаборатория экспериментальной и клеточной медицины МФТИ
Существует два распространенных способа доставки клеток в ткань сердца: инъекция одиночных клеток и интеграция клеток в составе тканеинженерных конструкций. Диспергированные клетки могут покидать место инъекции и иметь низкую выживаемость. Напротив, тканеинженерные конструкции демонстрируют улучшенную выживаемость и жизнеспособность клеток после трансплантации, но форма и размер накладывают ограничения на способ доставки и создают проблемы с электрофизиологической связью. Существует промежуточный вариант в виде использования гидрогелей для удержания доставленных клеток. Однако точно так же клетки, окруженные гелем, не могут полностью интегрироваться в ткани сердца и между собой.
«Мы предлагаем метод, использующий преимущества каркаса из полимерных нановолокон с возможностью доставки клеток. Для определения оптимального пути доставки мы провели ряд экспериментов, в ходе которых доставляли клетки в сердце крысы с помощью шприца или путем накладывания "заплатки", но при этом все клетки находились на очень тонких нановолокнах-микроносителях. Оба эти способа сравнивались с обычным суспензионным методом трансплантации. Эксперименты показали, что на микроносителях клетки приживаются лучше, — быстрее функционально интегрируются и дольше выживают. Сама клеточная составляющая изготавливается с помощью дифференцировки стволовых клеток — генетической программы, которая способна изменить функции клетки. Это довольно сложный процесс, который мы также изучаем и совершенствуем в нашей лаборатории», — подытожила заведующая лабораторией экспериментальной и клеточной медицины МФТИ Валерия Цвелая.
(A) Спонтанная активность клеток на полимерных микроносителях перед трансплантацией. (B) Паттерны сигналов спонтанного возбуждения для 16 клеток (4 разных образца) с частотами спонтанного возбуждения в диапазоне от 0,5 до 1,5 Гц. Сигнал усреднялся в кадре 3 x 3 пикселя со скоростью 34 кадра в секунду. (C) Псевдо-3D изображение засеянных клеток до трансплантации. (D) Место аппликации волокна на поверхности сердца и его псевдо-3D изображение (цветная проекция) с трансплантированными клетками. Градиент цвета (от красного к синему) указывает относительное расположение точек поверхности по оси, перпендикулярно плоскости рисунка. Источник: Molecular Sciences
Эксперименты по имплантации клеток проводили in vivo. Предложенные молекулярные носители позволили установить быстрый, в течение 30 минут, электромеханический контакт между возбудимыми трансплантатами и сердцем. Возбудимые трансплантаты визуализировали с помощью оптического картирования на сердце крысы. Предварительно восстановленная возбудимость трансплантатов позволила осуществить быстрое соединение с тканью. Эта работа может стать основой для новой методики лечения аритмии.
Результат исследования опубликован в журнале Molecular Sciences.