Сердцебиение в чашке: выращивание специализированных клеток сердца
Детальные исследования сердца показали ключевую роль левого желудочка — это область сердца, которая развивается первой и обеспечивает силу для перекачивания крови по телу. Критически важно, что она же чаще всего поражается при сердечных заболеваниях и инфарктах, а также наиболее подвержена кардиотоксическому действию некоторых лекарств.
Исследователи из Института Фрэнсиса Крика разработали способ выращивания специализированных клеток сердечной мышцы левого желудочка из стволовых клеток. Это открывает новые возможности для изучения болезней сердца, скрининга лекарств и потенциальной разработки новых методов лечения.
Их метод опубликован в журнале Cell Reports Methods. Протокол также лицензирован компании Axol Bioscience для коммерциализации — генерации и продажи кардиомиоцитов для R&D и предоставления услуг контрактных исследований, особенно в области скрининга лекарств и оценки кардиотоксичности.
Выращивание сердцебиения
Работу возглавила Андрея Бернардо, стипендиат программы возвращения в карьеру Wellcome Trust в Институте Крика, недавно основавшая собственную лабораторию в Имперском колледже Лондона. Выращивание кардиомиоцитов левого желудочка — сложный процесс, основанный на глубоком понимании биологии развития.
«Чтобы заставить клетки специализироваться, нужно понимать естественный процесс развития. Мы стремились понять разные камеры сердца — как они формируются и какие гены и пути задействованы в их развитии. Только с таким детальным пониманием ранних эмбриональных изменений мы смогли применить эти знания в моделях со стволовыми клетками», — объясняет Андрея Бернардо.
Исследователи начали с формирования правильной мезодермальной линии, первой фазы специализации клеток. Также они обнаружили, что блокирование ретиноевой кислоты действует как «стоп-кран», предотвращая формирование других типов кардиомиоцитов.
В результате получается почти гомогенная популяция кардиомиоцитов левого желудка, бьющихся синхронно — «как мексиканская волна по чашке Петри». Эти клетки можно изучать функционально в 2D-культурах и даже создавать из них инженерные сердечные ткани в 3D-среде для измерения силы сокращения.
«Удивительно, но мы показали, что кардиомиоциты левого желудочка или созданные из них инженерные сердечные ткани сильнее и обладают улучшенной структурной, функциональной и метаболической зрелостью по сравнению со стандартными моделями кардиомиоцитов», — отмечает Бернардо.
Метод, создававшийся 30 лет
Работа Андреи Бернардо основана на исследованиях, начатых более 30 лет назад Джимом Смитом, заслуженным учёным Института Крика. Он первым изучил молекулы, управляющие эмбриональным развитием у амфибий, используя лягушку Xenopus laevis в качестве модели.
Сотрудничество Бернардо и Смита, начавшееся в Кембриджском университете, продвинуло исследования от эмбрионов мыши к человеческим стволовым клеткам.
«Когда я был начинающим исследователем, я не представлял, как мои открытия могут быть применены однажды. Очень волнующе видеть, что молекулы, которые мы впервые наблюдали у лягушек, теперь стали частью этого процесса. Это действительно подчёркивает ценность фундаментальных исследований — никогда не знаешь, куда они приведут», — говорит Джим Смит.
Путь к успеху был непростым: Андрея Бернардо взяла длительный перерыв в работе для ухода за тяжело больным ребёнком, а позже пандемия COVID-19 остановила исследования почти на год, что привело к потере многих культур клеток.
Будущее применение
Новое соглашение с Axol Bioscience позволит лабораториям по всему миру использовать эти специализированные клетки сердца для:
- Тестирования безопасности различных лекарств.
- Разработки новых препаратов для лечения заболеваний, специфичных для левого желудочка.
Андрея Бернардо в своей новой лаборатории в Имперском колледже Лондона будет использовать клетки для изучения развития, созревания и болезней левого желудочка. Этот метод позволит лучше моделировать такие заболевания, как гипертрофическая кардиомиопатия — врождённое состояние, специфично поражающее левый желудочек. Её команда также будет исследовать терапевтический потенциал этих клеток для лечения сердечной недостаточности.