Используя клетки кожи молодых пациентов с тяжелым генетическим пороком сердца, ученые Медицинской школы Стэнфордского университета создали бьющиеся клетки сердца, несущие ту же генетическую мутацию. Недавно созданные человеческие сердечные клетки ?? кардиомиоциты ?? позволили исследователям впервые изучить и охарактеризовать расстройство на клеточном уровне.
В исследовании, которое будет опубликовано в Интернете в феврале. 9 в Nature, исследователи также сообщают об обнаружении многообещающего препарата для устранения сердечного сбоя ?? от которых в настоящее время нет достойного лечения ?? после использования этих вновь созданных сердечных клеток для проверки воздействия множества соединений.
Новый подход включал преобразование клеток кожи в клетки сердца в чашке путем перепрограммирования их в состояние, подобное эмбриональным стволовым клеткам, так что клетки способны к "дифференцирующий" на множество типов клеток. Затем ученые химическим путем уговорили эти индуцированные плюрипотентные стволовые клетки стать клетками сердца. Подход с использованием iPS-клеток представляет собой большой шаг вперед, поскольку в настоящее время не существует хороших альтернативных методов изучения сердечной недостаточности человека на клеточном уровне.
"Это может быть первый раз, когда этот неинвазивный метод «болезни в тарелке» был успешно использован для скрининга лекарств при сердечных заболеваниях," сказал Рикардо Долметч, доктор философии, доцент нейробиологии и старший автор исследования. Первым автором исследования является Масаюки Ядзава, доктор философии, научный сотрудник лаборатории Долметча.
Человеческое сердце – это насос, сделанный из мышц и состоящий из четырех отделений или камер: левого и правого желудочков и двух соответствующих предсердий. Эти камеры должны сжиматься в скоординированной последовательности, чтобы обеспечить нормальный кровоток. Эта координация обеспечивается электрическими сигналами от сердечных узлов, которые для камер сердца являются тем же самым, что свечи зажигания для поршней двигателя автомобиля. В совокупности сигналы между клетками сердца генерируют формы электромагнитных волн, которые можно визуализировать на электрокардиограмме.
Известно, что около десятка генетических мутаций, выявленных у людей, вызывают нарушения в этом сигнальном паттерне, что приводит к состоянию, называемому синдромом удлиненного интервала QT. (Название отражает удлиненный интервал между двумя частями формы волны, обычно наблюдаемый на электрокардиограмме.) Люди с LQTS страдают от аритмий или нерегулярных сердечных сокращений и уязвимы для фибрилляции желудочков, часто фатального состояния, при котором сердечные клетки сокращаются хаотично.
Генетически обусловленный LQTS встречается только у одного из 7000 человек. Но LQTS также является слишком частым побочным эффектом множества одобренных лекарств ?? это причина того, что популярное обезболивающее Vioxx (рофекоксиб) было снято с продажи в декабре 2006 года ?? хотя непонятно почему.
В своем исследовании Nature Долметч и его коллеги обратились к пациентам с синдромом Тимоти, одной генетической мутацией, которая, как известно, вызывает LQTS. Пациенты с синдромом Тимоти очень подвержены фибрилляции желудочков и часто умирают в раннем возрасте. Другой отличительной чертой синдрома Тимоти является аутизм, который находится в центре внимания исследований Долметча.
Дефектный ген при синдроме Тимоти кодирует белок, называемый кальциевым каналом. Этот канал контролирует поток через клеточную мембрану кальция, который имеет решающее значение для многих клеточных процессов, но особенно важен в нервных клетках, где он модулирует распространение электрических сигналов на большие расстояния, и в мышечных клетках, включая клетки сердца, где он вызывает сокращения.
Неизвестно, почему именно нарушение функции кальциевых каналов у пациентов с синдромом Тимоти вызывает сердечную аритмию. По словам Долметча, одна из основных причин, по которой исследования причин и методов лечения LQTS в целом задерживаются, заключается в том, что трудно изучать клетки сердца. "Было бы опасно и неэтично извлекать сердечные клетки у живого человека с сердечным заболеванием или без него," он сказал. Теоретически дефект гена, связанный с синдромом Тимоти, может быть воспроизведен у лабораторной мыши, чье сердце затем можно изучить. Но на практике это не запускается. В то время как у здорового человека частота сердечных сокращений в состоянии покоя составляет около 60 ударов в минуту, сердце мыши бьется со скоростью 500 ударов в минуту, что делает этот орган бесполезным для анализа дефицита времени, поражающего человеческое сердце.
Исследование отмечает захватывающее использование iPS-клеток, относительно новой технологии, которая была впервые представлена в 2006 году. Долметш и его сотрудники перепрограммировали клетки кожи двух пациентов с синдромом Тимоти и пяти здоровых людей сначала в iPS-клетки, а затем в кардиомиоциты. Три различных разновидности кардиомиоцитов ?? предсердные, желудочковые и узловые клетки ?? были произведены таким образом как от больных, так и от нормальных субъектов. Три подтипа клеток спонтанно сгруппировались в миниатюрные сердцевидные органы, напоминающие однокамерное сердце.
Было очевидно, что в отличие от средних 60 ударов в минуту "миниатюрные сердечки" полученные из клеток кожи нормальных субъектов, у пациентов с синдромом Тимоти биение происходит примерно со скоростью 30 в минуту и обнаруживаются существенные нарушения. Исследователи разделили эти крошечные органы на составляющие их клетки и показали, что каждый состоит из предсердных, желудочковых и узловых клеток.
Примечательно, что группа Долметча обнаружила, что в желудочковых клетках, происходящих от синдрома Тимоти, но не в предсердных или узловых клетках, кальциевые каналы, кодируемые мутантным геном, открываются нормально, чтобы обеспечить приток кальция, но остаются открытыми дольше, чем в нормальных клетках. С помощью специальных красителей, отражающих концентрацию кальция, Долметш и его команда смогли визуально проверить поток кальция в сердечных клетках, приготовленных из кожи пациентов с синдромом Тимоти.
"Мы обнаружили, что их желудочковые клетки, хотя и не их предсердные или узловые клетки, имели нарушенный поток кальция" по сравнению с аналогичными клетками нормальных людей, – сказал Долметч.
Исследователи изучили реакцию этих клеток с нерегулярным биением на различные препараты, которые, как сообщалось, влияют на ритм сердцебиения. Когда они добавили один из этих препаратов ?? росковитин, в настоящее время проходит клинические испытания по не связанным показаниям ?? в среду для культивирования клеток в правильной дозе, дефицитный приток кальция был восстановлен, как и регулярное сердцебиение.
Долметч предупредил, что на данном этапе росковитин не следует рассматривать как адекватное лечение LQTS ?? он не тестировался для этой цели на живых животных, не говоря уже о людях, и может иметь выраженные побочные эффекты. Тем не менее, по его словам, это многообещающее соединение для дальнейшей разработки лекарств. Управление лицензирования технологий Стэнфорда подало заявку на U.S. патенты, связанные с открытием, и Dolmetsch основывает новую компанию, которая намеревается лицензировать эти патенты, как только они будут выданы.