Сердечные заболевания продолжают оставаться основной причиной смерти во всем мире, отчасти из-за ограниченных терапевтических возможностей и неспособности сердца регенерировать здоровые клетки, называемые кардиомиоцитами, после сердечных приступов. Ученые из Медицинской школы UNC и других организаций изучают способы перепрограммирования клеток рубцовой ткани в здоровые клетки сердечной мышцы, и теперь исследователи UNC опубликовали первую научную статью, в которой подробно сравниваются два ведущих метода перепрограммирования.
Под руководством Ян Чжоу, доктора философии, научного сотрудника лаборатории Ли Цяня, доктора философии, доцента кафедры патологии и лабораторной медицины в UNC, исследование, опубликованное в Cell Reports, предполагает, что один метод приводит к созданию кардиомиоцитов с генетическими сигнатурами, которые близко имитируют те, что обнаружены в здоровых клетках сердечной мышцы взрослого. Другой подход к репрограммированию приводит к созданию кардиомиоцитов с большим количеством сигнатур эмбриональных клеток."Различия в кардиомиоцитах, полученных с помощью этих двух методов, поразительны," – сказал Цянь, который также является членом Кардиологического института им. Макаллистера. "Исследователи могут выбрать тот или иной метод в зависимости от конкретного типа сердечного заболевания, которое они интересуют для изучения, в то время как врачи могут тщательно выбирать, какой метод лучше всего, учитывая плюсы и минусы каждого подхода."
Кардиомиоциты, клетки, отвечающие за сердцебиение, необходимы для восстановления сердца после травмы. Но после травмы, такой как сердечный приступ, многие из этих клеток безвозвратно теряются; они были превращены в клетки рубцовой ткани. Замена этих потерянных клеток кардиомиоцитами, специфичными для пациента, привлекла внимание в качестве потенциальной терапии, поскольку существующая здоровая ткань сердца лучше принимает эти клетки и из-за увеличения скорости восстановления. Кардиомиоциты, специфичные для пациента, также предлагают уникальные преимущества при проверке лекарств, помогая врачам определять индивидуальный тип и дозировку препарата для каждого пациента.
В настоящее время существует два широко применяемых подхода к созданию кардиомиоцитов для конкретных пациентов.
В первом подходе взрослая соединительная клетка, называемая фибробластом, перепрограммируется обратно в состояние, подобное наивным эмбриональным стволовым клеткам. Оказавшись в этом наивном состоянии, клетка может развиться в любой тип клеток в организме, но исследователи направляют ее на развитие кардиомиоцитов. Эти недавно созданные кардиомиоциты называются кардиомиоцитами с индуцированными плюрипотентными стволовыми клетками (ИПСК-КМ).
Во втором подходе, называемом прямым перепрограммированием сердца, фибробласт напрямую превращается в кардиомиоцит, без необходимости предварительного перепрограммирования в наивные эмбриональные стволовые клетки. Эти новые кардиомиоциты называются индуцированными кардиомиоцитами (iCM).
Лаборатория Qian сравнила кардиомиоциты, полученные с использованием этих двух подходов, с исходным исходным типом клеток (сердечные фибробласты) и с настоящими кардиомиоцитами. Исследователи обнаружили, что оба метода привели к клеткам с классическими молекулярными характеристиками кардиомиоцитов. Однако, сравнивая уникальный набор генов, активированных или неактивированных в каждой группе клеток, исследователи обнаружили, что ИПСК-КМ более напоминают эмбриональные кардиомиоциты, в то время как ИКМ более напоминают кардиомиоциты взрослых.
"Это очень важное знание," Цянь сказал. "При разработке исследовательских проектов или создании новых методов лечения нам необходимо знать такие генетические особенности, чтобы наилучшим образом помочь пациентам."
Исследователи также обнаружили, что ИПСК-КМ содержат более активные гены и большее количество генов, которые могут быть либо активированы, либо репрессированы (известные как "эпигенетически гипердинамический"), что чаще встречается в сильнодействующих клетках.
Метаболически иПСК-КМ имели более высокую экспрессию гликолитических генов, в то время как iCM имели более высокую экспрессию генов, участвующих в окислении жирных кислот, основных средствах производства энергии во взрослых сердцах.
В iPSC-CM клетки сердечной мышцы, называемые саркомерами, которые придают сердцу полосатый вид, были менее организованы, чем в iCM. Сократимость кардиомиоцитов, измеренная по потреблению и удалению кальция, также была выше у iCM, что снова указывает на то, что клетки iCM более зрелые, чем клетки iPSC-CM.
Затем исследователи исследовали, может ли увеличение продолжительности роста ИПСК-КМ способствовать их созреванию. ИПСК-КМ были собраны в различные моменты времени и проанализированы. Более продолжительное время культивирования увеличивало количество генов зрелых кардиомиоцитов, но не уменьшало количество генов эмбриональных кардиомиоцитов. Структура саркомера клеток iPSC-CM также улучшалась с увеличением времени культивирования, но не соответствовала организации клеток iCM. Это указывает на то, что iPSC-CM и iCM идут разными путями к созреванию.
"Хотя у каждого метода есть свои плюсы и минусы," Цянь сказал, "при врожденном пороке сердца ИПСК-КМ могут быть идеальными для изучения механизма и для проведения скрининга лекарств."Удивительно, но один такой путь перепрограммирования может зависеть от статуса клеточного цикла.
Взрослые кардиомиоциты не входят в клеточный цикл, а это означает, что они не могут реплицироваться и производить больше клеток. Отчасти это объясняет их неспособность восполнить запасы сердца после травмы. Меньшее количество генов клеточного цикла было активным в iCMs. Кроме того, исследователи обнаружили, что снижение экспрессии общего гена клеточного цикла в ИПСК-КМ привело к тому, что организация саркомеров стала более похожей на взрослые сердца.
Это исследование подчеркивает важность рассмотрения различных методов перепрограммирования, используемых при создании кардиомиоцитов для конкретных пациентов. Выбранный метод может повлиять на молекулярные характеристики генерируемых кардиомиоцитов. Лучший подход, вероятно, зависит от желаемых результатов каждого отдельного исследования.
Цянь сказал, "Наше исследование закладывает основу для понимания преимуществ и недостатков различных подходов к созданию индивидуальных клеток сердечной мышцы для клинических целей, таких как моделирование заболеваний, скрининг лекарств и, в конечном итоге, восстановление сердечной мышцы человека после травм, таких как сердечные приступы."