Сердечные клетки, которые бьются в космосе, дают надежду на лучшее лечение сердца на Земле
Всего за три недели стволовые клетки стали бьющимися сердечными клетками на борту миссии НАСА SpaceX-20.Эксперимент был проведен в марте 2020 года астронавтами НАСА на борту миссии и исследователями из Медицинской школы Университета Эмори и Детского здравоохранения Атланты.
Перед тем, как испытать настоящую вещь на Международной космической станции (МКС), Чунхуэй Сюй, доктор философии, Кевин Махер, доктор медицинских наук, и их коллеги использовали машины для имитации космического пространства, чтобы усилить способность плюрипотентных или незрелых стволовых клеток превращаться в сердечные. мышечные клетки. Цель состояла в том, чтобы определить влияние условий невесомости на стволовые клетки и оптимизировать производство клинически значимых клеток сердечной мышцы на Земле.
Полученные из стволовых клеток клетки сердечной мышцы использовались для лечения сердечной недостаточности на животных моделях.
Они также использовались для изучения наследственных сердечных заболеваний отдельно от сердца исходного пациента.
«Эти клетки потенциально могут лечить сердечные заболевания у детей и взрослых, но для восстановления поврежденного сердца требуется большое количество сердечных клеток», — говорит Сюй, доцент кафедры педиатрии Медицинской школы Эмори. «Мы надеялись определить более эффективный способ создания этих клеток, исследуя использование микрогравитации».
Профессор Эмори Чуньхуэй Сюй, главный исследователь эксперимента по созданию кардиомиоцитов из индуцированных плюрипотентных стволовых клеток, обращается к участникам NASA Social во время научного брифинга «Что на борту» в Космическом центре Кеннеди 5 марта 2020 года.
После клеток, которые были на борту космической станции вернулись на Землю и прибыли в Эмори, Сюй и Махер провели последний год, углубляясь в результаты исследования.
Результаты показали, что эти стволовые клетки растут быстрее в условиях невесомости в космосе. Они поделились своими выводами — вместе с астронавтом НАСА Джессикой У. Меир, доктором философии — с пациентами Центра детского здравоохранения Атланты во время недавнего мероприятия, которое модерировал Лаки Джейн, доктор медицинских наук, заведующий кафедрой педиатрии в школе Эмори. Медицина и главный академический директор детской.
Послушайте астронавта НАСА Джессику Меир, рассказывающую о том, как она помогла профессорам Эмори Чуньхуэй Сюй и Кевину Махеру «ожить» в уникальной среде Международной космической станции.
«Мы думаем о будущем ухода за пациентами с проблемами сердца», — говорит Махер, профессор кафедры педиатрии Медицинской школы Эмори и директор отделения интенсивной терапии сердца в детской больнице. «Возможность узнать, как заставить стволовые клетки расти быстрее, может увеличить шансы на лучшее лечение пациентов. Мы проделали большую работу, чтобы увидеть, как мы можем использовать эти типы стволовых клеток, чтобы сделать сердце сильнее в будущем».
Национальная лаборатория МКС назвала космический полет важным шагом для космических исследований следующего поколения, поскольку технология замораживания клеток предлагает множество преимуществ для космических исследований, а также исследований на Земле.
Потенциальные клинические последствия этого исследования означают, что дети и подростки с поврежденными сердечными клапанами могут вместо этого получить замену клапана, выращенного из их собственных клеток. Кроме того, клетки ребенка с сердечной аритмией могут быть взяты с помощью биопсии и выращены для тестирования лекарств и методов лечения, что может открыть новую дверь для персонализированной медицины.
Посмотреть репортаж CNN об этом исследовании
Контакт для СМИ: Jill Wu
404-727-3870 (офис) или 386-383-6061 (мобильный) 7
jill.s.wu @emory.0edu
История опубликована 6 июля 2021 года. Фотографии предоставлены НАСА.
Можем ли мы вылечить разбитое сердце клетками? · Frontiers for Young Minds
Abstract
Кардиомиоциты — это мышечные клетки, которые заставляют сердце биться, перекачивать кислород и доставлять богатую питательными веществами кровь по всему телу человека. Во время сердечного приступа кровоснабжение сердца прерывается. Затем кардиомиоциты умирают и замещаются рубцовой тканью, которая больше не может сокращаться. В результате сердце ослабевает и может аномально биться. В течение многих лет исследователи искали способ заменить поврежденные кардиомиоциты новыми. Стволовые клетки — это мастер-клетки, которые быстро растут и делятся. Они могут быть идеальными для восстановления органов и тканей, потому что могут превращаться во множество различных типов клеток, включая кардиомиоциты. Среди других медицинских методов лечения стволовые клетки использовались для разработки сердечной заплаты, сердечного «лейкопластыря», который может регенерировать поврежденную сердечную мышцу. В этой статье мы обсудим преимущества и ограничения использования стволовых клеток для восстановления «разбитого сердца».
Как работает сердце?
Каждой клетке тела для выживания необходимы кислород и питательные вещества. Кровь — это служба доставки тела, доставляющая клеткам необходимые им материалы. Ваше сердце — это насос, который перемещает кровь по телу, когда вы спите, едите, катаетесь на велосипеде или играете в видеоигры. Сердце постоянно работает, совершая около 100 000 сокращений каждый день [1]. Сердце состоит из четырех основных камер, которые являются своего рода станциями для крови (рис. 1). Бедная кислородом кровь, возвращающаяся к сердцу после долгого путешествия по телу, впадает в правое предсердие, а затем впадает в правый желудочек. Когда сердце сжимается или сокращается, правый желудочек перекачивает кровь в легкие, где она пополняется кислородом из воздуха, которым вы дышите. Затем богатая кислородом кровь возвращается к сердцу, впадает в левое предсердие, а затем перемещается в левый желудочек. Наконец, левый желудочек снова сокращается, перекачивая богатую кислородом кровь ко всем клеткам и органам вашего тела. Четыре сердечных клапана контролируют поток крови между каждой из этих камер. Клапаны открываются и закрываются, когда кровь течет из камеры в камеру, предотвращая ее обратное течение.
- Рис. 1. Кровообращение и поток электрических сигналов в сердце.
- Сердце поддерживает постоянную циркуляцию крови по всему телу. Кровь с низким содержанием кислорода поступает в сердце из тела, проходит через правое предсердие и правый желудочек и перекачивается в легкие, где она насыщается кислородом. Насыщенная кислородом кровь возвращается к сердцу через левое предсердие, течет в левый желудочек и выкачивается обратно в организм.
Каждое сердцебиение инициируется электрическими сигналами, которые координируют сокращение кардиомиоцитов.
Мышечные клетки сердца называются кардиомиоцитами. Среднее человеческое сердце, по оценкам, содержит 2–3 млрд кардиомиоцитов [2]. Как все эти клетки узнают, когда нужно сокращаться, чтобы произвести одно мощное сердцебиение? Мембраны клеток соединяются в специальных соединениях, которые скрепляют клетки вместе и обеспечивают прохождение молекул-мессенджеров, которые заставляют клетки биться. Таким образом, все кардиомиоциты могут вести себя как единая функциональная единица. Кардиомиоциты работают вместе, чтобы перекачивать кровь по телу.
Когда сердце отказывает: сказка о сердечном приступе
Подобно клеткам других органов тела, кардиомиоцитам для функционирования также необходимы кислород и питательные вещества. Таким образом, сердце имеет свою собственную сеть кровеносных сосудов — артерий и вен, которые окружают все сердце. Сердце может показаться идеальным органом, но оно не лишено недостатков. Сердечные приступы очень распространены, и они происходят, когда одна или несколько коронарных (сердечных) артерий блокируются, прерывая кровоток. Что может вызвать закупорку коронарной артерии? Большинство сердечных приступов вызваны ишемической болезнью сердца. Атеросклероз — это тип заболевания коронарных артерий, при котором жировые отложения накапливаются в артериях и образуют структуры, называемые бляшками. Со временем эти бляшки затвердевают и сужают артерии, препятствуя притоку богатой кислородом крови. Бляшки становятся особенно опасными, когда они отрываются и препятствуют кровообращению. Иногда разорвавшиеся бляшки могут полностью перекрыть кровообращение, лишая клетки сердца кислорода и питательных веществ. Вы можете думать об этой блокировке как о массивной пробке. Без свежего снабжения кислородом или питательными веществами клетки сердечной мышцы повреждаются или умирают. Последствие — сердечный приступ.
Почему сердечный приступ так опасен? Во-первых, когда клеткам сердца не хватает кислорода и питательных веществ, они перестают функционировать. У них нет материалов, которые им нужно бить. В результате сердечная мышца больше не может сокращаться, и нарушается кровоснабжение остальных частей тела. Даже если врач устранит закупорку и восстановит кровоток после инфаркта, если кровоток был нарушен на несколько часов, поврежденные кардиомиоциты уже никогда не восстановятся. Сердечный приступ может вызвать потерю или повреждение до миллиарда кардиомиоцитов [3]. Поврежденные кардиомиоциты заменяются рубцовой тканью, которая больше не может помогать сердцу перекачивать кровь и может вызвать аномальное сердцебиение, которое может сильно ослабить сердце и привести к внезапной смерти.
Стволовые клетки могут стать клетками сердца
Вы когда-нибудь задумывались, откуда берутся кардиомиоциты и другие типы клеток в вашем теле? Все клетки вашего тела начинаются со стволовых клеток (рис. 2). Стволовые клетки могут развиваться во множество различных типов клеток, от клеток кожи до нервных клеток и клеток сердца. Стволовые клетки делятся с очень высокой скоростью, они еще не специализировались и не занялись определенной работой в организме. Точно так же, как дети со временем вырастают и выбирают профессию, стволовые клетки созревают и становятся специализированными клетками организма. Стволовые клетки происходят из двух основных источников: тканей взрослых или эмбрионов. Однако только эмбриональные стволовые клетки могут созревать во все типы клеток в организме. Ученые разработали методы генетического перепрограммирования взрослых клеток в так называемые индуцированные плюрипотентные стволовые клетки. И эмбриональные, и индуцированные плюрипотентные стволовые клетки являются плюрипотентными, что означает, что они обладают неограниченной способностью делиться и могут дифференцироваться (изменяться) в любой из типов клеток организма.
- Рисунок 2. Эмбриональные стволовые клетки могут быстро делиться и могут дифференцироваться в клетки любого типа в организме.
Чтобы создать кардиомиоциты из стволовых клеток в лаборатории, ученые подвергают стволовые клетки воздействию тех же сигнальных молекул, которые производят кардиомиоциты в развивающемся эмбрионе. Через несколько дней у развивающихся кардиомиоцитов появляется сердцебиение, которое можно увидеть под микроскопом (Видео 1)! Кардиомиоциты, полученные из стволовых клеток, продолжают расти и дифференцироваться в течение нескольких недель. Результатом является почти бесконечный запас функциональных, бьющихся клеток сердечной мышцы. Для проверки идентичности и чистоты выращенных в лаборатории кардиомиоцитов проводятся различные молекулярные тесты.
- Видео 1 — репрезентативное видео спонтанно сокращающихся в культуре кардиомиоцитов, полученных из плюрипотентных стволовых клеток, индуцированных человеком. Сокращение, наблюдаемое на видео, указывает на то, что клетки живы и способны общаться, что приводит к наблюдаемым движениям.
Стволовые клетки спешат на помощь!
Чтобы помочь пациентам оправиться от сердечных приступов, ученые используют кардиомиоциты, полученные из стволовых клеток, для замены сердечной мышцы в областях, где исходная сердечная мышца превратилась в рубцовую ткань. Один метод называется сердечной заплатой, которая представляет собой выращенный в лаборатории кусочек сердечной ткани, который можно имплантировать в сердце для замены поврежденной ткани пациента (рис. 3) [4]. Пластырь для сердца похож на специальный пластырь для поврежденного сердца. Чтобы создать сердечный пластырь, клетки выращивают на каркасе, который является матрицей для формирования ткани, в условиях, имитирующих те, которые существуют в организме [5]. Например, воспроизводятся температура, уровни кислорода и углекислого газа в организме. Комбинация клеток, обнаруженных в сердце, помещается на каркас вместе с кардиомиоцитами, полученными из стволовых клеток. Наконец, сердечная заплата имплантируется в сердце в надежде заменить мертвую, не бьющуюся рубцовую ткань функциональной, бьющейся сердечной мышцей.
- Рис. 3. Для изготовления сердечных заплат необходимо сначала собрать каркас.
- Каркас изготовлен из материалов, имитирующих человеческую сердечную мышцу. Затем на каркас помещают кардиомиоциты, которые дифференцировались из стволовых клеток. В конце концов, полный каркас имплантируется пациенту, чтобы помочь залечить поврежденную сердечную мышцу.
Ученые исследовали различные методы применения сердечных пластырей. Они обнаружили, что воздействие на кардиомиоциты, полученные из стволовых клеток, ритмичных электрических сигналов, по существу мягкое «электропитание» их перед имплантацией, улучшает их способность сокращаться. Тем не менее, есть еще много препятствий на пути использования сердечных пластырей в терапии. Во-первых, при имплантации кардиальной заплаты только 0,1–10% имплантированных клеток выживают и становятся функциональными кардиомиоцитами [3]. Это число слишком мало для полного восстановления функции сердца. Также возможно, что некоторые из имплантированных клеток не могут сокращаться одновременно или выполнять ту же функцию, что и остальная часть сердца, что может нарушать ритм и эффективность сердечных сокращений [6].
Постоянно делаются новые открытия в области регенерации сердечной ткани. Хотя сердечные приступы опасны и смертельны, мы, ученые, можем «атаковать» их, используя такие методы лечения, как сердечный пластырь. Используя науку, мы можем восстановить сердечную ткань, восстановить сердцебиение и дать надежду пациентам с поврежденным сердцем.
Стволовые клетки в более широком контексте
Возможности терапии стволовыми клетками безграничны и выходят далеко за рамки регенерации сердца. Например, стволовые клетки использовались для замены клеток головного мозга, поврежденных из-за травм спинного мозга или таких заболеваний, как болезнь Альцгеймера или Паркинсона [7]. Еще одним потенциальным применением стволовых клеток является их использование для производства инсулина, гормона, который организм вырабатывает для регулирования уровня сахара в крови. Это может помочь в лечении пациентов с диабетом [8]. Ученые не только продолжают исследовать и создавать медицинские способы использования стволовых клеток для решения медицинских проблем в лаборатории, но и ищут способы использования терапии стволовыми клетками для улучшения здоровья пациентов с множественными заболеваниями или расстройствами.
Глоссарий
Синоатриальный (СА) узел : ↑ Специализированная структура в сердце, которая инициирует сердечные сокращения, сигнализируя клеткам сердечной мышцы о сокращении.
Кардиомиоциты : ↑ Клетки сердечной мышцы, которые сокращаются, чтобы перекачивать кровь по всему телу.
Атеросклероз : ↑ Заболевание, вызванное утолщением, уплотнением и сужением артерий в результате накопления бляшек, жиров, холестерина и других веществ вдоль внутренней оболочки артерий.
Бляшки : ↑ Отложения в артериях, состоящие из жира, холестерина и других веществ в крови, которые со временем накапливаются и затвердевают, сужая артерии и блокируя кровоток.
Стволовые клетки : ↑ Основные клетки, которые быстро делятся и могут стать клетками любого типа. Эмбриональные стволовые клетки происходят от эмбрионов, а индуцированные плюрипотентные стволовые клетки происходят из тканей взрослых, которые были генетически перепрограммированы.
Плюрипотент : ↑ Описывает клетки, которые могут дифференцироваться в клетки любого другого типа.
Сердечная заплата : ↑ Кусочек ткани сердечной мышцы, состоящий из кардиомиоцитов и других типов сердечных клеток, выращенный на каркасе в лаборатории и используемый для восстановления поврежденного сердца.
Каркас : ↑ Каркас или платформа, сделанные из специальных материалов, образующих поверхность для роста клеток, чтобы создать искусственный кусок ткани.
Конфликт интересов
Авторы заявляют, что исследование проводилось при отсутствии каких-либо коммерческих или финансовых отношений, которые могли бы быть истолкованы как потенциальный конфликт интересов.
Благодарности
Авторы хотели бы поблагодарить за поддержку канадские финансирующие агентства NSERC, CIHR, NFRF и Фонда сердца и инсульта Канады. EA благодарит Министерство экономического развития, создания рабочих мест и торговли за награду для первых исследователей, а также Институт сердца Оттавского университета. Авторы хотели бы поблагодарить доктора Wenbin Liang из Института сердца Университета Оттавы за предоставление клеток iPSC, показанных в видео.
Ссылки
[1] ↑ Чекони, К., Гуардигли, Г., Риццо, П., Франколини, Г. и Феррари, Р. 2011. История сердечного ритма. евро. Слышать. Приложение J. . 13:С4–13. doi: 10.1093/eurheartj/sur014
[2] ↑ Тирциу, Д., Джордано, Ф.Дж., и Саймонс, М. 2010. Клеточные коммуникации в сердце. Тираж 122:928. doi: 10.1161/РАСПИСАНИЕAHA.108.847731
[3] ↑ Нгуен, П.К., Ри, Дж.-В., и Ву, Дж.К. 2016. Терапия стволовыми клетками взрослых и сердечная недостаточность, 2000–2016: систематический обзор. ДЖАМА Кардиол . 1: 831–41. doi: 10.1001/jamacardio.2016.2225
[4] ↑ Хосояма, К., Аумада, М., Мактирнан, К.Д., Дэвис, Д.Р., Вариола, Ф., Руэль, М., и др. 2018. Наноинженерный электропроводящий сердечный пластырь на основе коллагена для восстановления инфарктного миокарда.