Инженерия возбудимых клеток для изучения биоэлектричества и клеточной терапии

Биоинженеры из Университета Дьюка изменили генетический состав обычно «невозбудимых» клеток, превратив их в клетки, способные генерировать и передавать электрический ток.

Это доказательство концепции может иметь широкие последствия для лечения заболеваний нервной системы или сердца, поскольку эти ткани зависят от клеток, способных взаимодействовать с соседними клетками. Это взаимодействие осуществляется посредством передачи электрических импульсов, известных как потенциалы действия, от клетки к клетке.

Исследователи достигли этой трансформации, введя в клетки гены, которые приводят к образованию ионных каналов — отверстий или ворот на поверхности клеток. Ионные каналы позволяют заряженным молекулам, или ионам, покидать или входить в клетку, обеспечивая передачу электрического тока от одной клетки к соседней.

«Введя всего три специфических ионных канала, мы смогли дать обычно электрически неактивным клеткам способность становиться электрически возбудимыми», — сказал Роб Кирктон, аспирант лаборатории старшего исследователя Ненада Бурсача, доцента биомедицинской инженерии в Инженерной школе Пратта Дьюка.

Результаты экспериментов были опубликованы в журнале Nature Communications. Исследователи получили поддержку от Национального научного фонда, Американской кардиологической ассоциации и Национальных институтов здоровья.

Ключевой механизм и эксперименты

Учёные выдвинули гипотезу, что нескольких ключевых ионных каналов достаточно для обеспечения возбудимости клеток. Они определили, что эту работу могут выполнить три конкретных канала: калиевый, натриевый и канал щелевых контактов — высокоспециализированная структура, обеспечивающая межклеточную электрическую коммуникацию.

После демонстрации того, что их генетические манипуляции сделали невозбудимые клетки человеческой почки возбудимыми, они проверили, могут ли группы таких клеток передавать электрические сигналы от клетки сердца к клетке сердца в 2D и 3D моделях клеточных культур.

В ключевом эксперименте исследователи создали S-образный путь с кластерами нормальных живых клеток сердца крысы на каждом конце. Пространство между двумя кластерами было заполнено либо невозбудимыми клетками (контроль), либо генетически модифицированными клетками.

• При приложении электрического стимула к кластеру клеток сердца на одном конце установки, электрический импульс распространялся по этим клеткам, но немедленно останавливался и исчезал на входе в S-образный путь, содержащий невозбудимые контрольные клетки.
• Однако при использовании генетически модифицированных клеток электрический импульс быстро регенерировался и переносился по трехсантиметровому пути, в конечном итоге заставляя сработать второй кластер клеток на другом конце.

Значение и перспективы

«Мы считаем, что наш подход открывает двери для широкого спектра новых исследований, связанных с электрической коммуникацией между клетками, а также может помочь нам понять и разработать методы лечения заболеваний электрически активных тканей», — сказал Бурсач.

Потенциальные применения включают:

• Клеточную терапию: Лечение сердечных приступов, при которых повреждённые участки сердечной мышцы становятся электрически отключёнными и не могут сокращаться синхронно со здоровыми соседними клетками.
• Исследовательскую платформу: Изучение роли специфических ионных каналов в биоэлектричестве на тканевом уровне, а также тестирование эффективности новых лекарств или методов лечения.
• Биосенсоры: Потенциальное использование в разработке новых биосенсоров для обнаружения заболеваний или токсинов окружающей среды.

Модифицированные клетки можно непрерывно и легко выращивать в лаборатории, они генетически и функционально идентичны друг другу и имеют потенциал для дальнейших модификаций.