Исследователи из Калифорнийского университета в Дэвисе успешно использовали специально разработанную систему доставки белков и генов для восстановления нормального сердечного ритма у свиней с помощью электронных кардиостимуляторов, уменьшив их зависимость от имплантированных устройств. Эта работа предполагает, что ученые на один шаг ближе к тому, чтобы сделать биоинженерию реальностью в лечении более чем двух.2 миллиона американцев страдают от нерегулярного сердцебиения.
Исследование Калифорнийского университета в Дэвисе, соавтором которого является международная группа, в которую вошли ученые из Гонконгского университета и Университета Джона Хопкинса, опубликовано в текущем выпуске журнала Circulation (который доступен в Интернете и будет опубликован в печати). 5 сентября). Этот же выпуск также включает аналогичные, но независимые исследования ученых из Колумбийского университета и Государственного университета Нью-Йорка в Стоуни-Брук.
"Наше исследование предлагает на живых моделях положительные и прямые доказательства того, что биоинженерные клетки могут заменить электронный кардиостимулятор," сказал Рональд Ли, который возглавляет исследовательскую группу и является доцентом кафедры клеточной биологии и анатомии человека в Медицинской школе Калифорнийского университета в Дэвисе. Ежегодно более 250 000 человек в США имплантируют искусственные кардиостимуляторы. Исследователи считают, что этот биологический подход обеспечит более постоянную, надежную и менее инвазивную альтернативу имплантированным электронным устройствам. "Мы надеемся однажды заменить электронные кардиостимуляторы у людей," Ли сказал.
Ли и его коллеги годами работали над разработкой биологических альтернатив лекарствам и электронным устройствам для лечения сердечных аритмий – сердечных сокращений, которые нерегулярны по ритму, частоте или последовательности. Синоатриальный (SA) узел, участок клеток, называемый кардиостимулятором, генерирует сердечные ритмы для скоординированных сокращений и перекачки крови. Сбои в работе, связанные со старением или заболеваниями, могут привести к ряду потенциально смертельных аритмий, таких как снижение частоты сердечных сокращений или ритмы, называемые брадикардиями.
В текущем исследовании исследователи доставили ген, кодирующий биоинженерный белок клеточной поверхности, в клетки сердечной мышцы свиней. Этот белок имитирует комбинированное действие нескольких белков, называемых ионными каналами HCN, которые играют решающую роль в поддержании нормального, равномерно ритмичного сердцебиения. Эти каналы контролируют поток ионов натрия и калия в клетки и из них, которые регулируют электрические импульсы сердца.
"Эти каналы имеют решающее значение для нормальной работы сердца. Мы смогли создать один белок, который кодирует один канал, который выполняет работу, обычно требуемую несколькими," Ли объяснил.
Заставив клетки сердечной мышцы производить биоинженерные каналы HCN, Ли и его коллеги смогли реконструировать узел SA сердца у свиней с имплантированными электронными кардиостимуляторами. Узел SA обычно расположен в правом предсердии, верхней правой камере сердца, куда поступает дезоксигенированная кровь из организма.
"Нам даже удалось создать новые области кардиостимуляторов в левом предсердии," Ли сказал.
По словам Ли, текущее исследование выходит за рамки использования моделей на животных, таких как мыши и крысы, чьи сердца могут биться до 600 раз в минуту. Крупные животные, такие как свиньи, представляют собой гораздо более реалистичные модели, потому что их анатомия и физиология, включая среднюю частоту сердечных сокращений от 70 до 80 ударов в минуту, аналогичны человеческим.
В текущем исследовании ученые использовали радиочастотную абляцию для удаления узлов SA в сердцах свиней. Это тот же минимально инвазивный метод, который кардиологи используют в клиниках для разрушения сердечных клеток, вызывающих аномальные электрические разряды и учащенное сердцебиение у их пациентов. Чтобы восстановить функцию узла SA и оценить биоинженерные клетки, команда Ли имплантировала электронные кардиостимуляторы, подобные тем, которые используются у людей, и ввела аденовирус, несущий ген, кодирующий сконструированный белок HCN, в сердечную мышцу. Аденовирус обладает способностью доставлять свои собственные гены в клетку-хозяина и захватывать ее синтезирующие белки механизмы. Ученые используют эту способность для доставки интересующих генов в клетки.
В течение нескольких дней после переноса гена в сердцах свиней образовались биоискусственные узлы в местах инъекций. Ли объяснил, что в результате экспрессии генов нормальные мышечные клетки сердца превращаются в клетки-водителя ритма в процессе, называемом трансдифференцировкой. Исследования, проведенные через две недели после инъекций, показали, что новые узлы смогли перенять функцию кардиостимуляции от электронных устройств. Результаты также имеют значение для будущих исследований стволовых клеток.
Ли и его коллеги сейчас готовятся к долгосрочным последующим экспериментам. Калифорнийский университет в Дэвисе предлагает уникальные условия для продолжения этой работы посредством возможных испытаний на людях, сказал Ли.
"Это место, где мы можем заниматься фундаментальными лабораторными исследованиями, тестировать на моделях животных, использовать единственное в Калифорнии учреждение для приматов, не относящихся к человеку, и в конечном итоге сотрудничать с врачами из системы здравоохранения Калифорнийского университета в Дэвисе для лечения пациентов," он сказал.
Ли и его команда ранее создали первые генно-инженерные клетки сердца человека из эмбриональных стволовых клеток человека и продемонстрировали, что их можно трансплантировать в сердце-реципиент и нормально функционировать. Ли планирует объединить подходы со стволовыми клетками и белково-клеточной инженерией к лечению сердечных аритмий.
"Клетки сердца обычно не регенерируются, но теперь у нас есть технологии, позволяющие создавать новые клетки сердца человека с использованием стволовых клеток. И мы также можем настроить эти клетки для лечения болезней," он сказал.
Источник: Калифорнийский университет в Дэвисе