Ранняя стимуляция улучшает работу биоинженерных клеток человеческого сердца

Исследователи научились создавать модель взрослой сердечной мышцы человека из индуцированных плюрипотентных стволовых клеток (iPSC), применяя электрическую и механическую стимуляцию на ранней стадии. Поскольку эта мышца похожа на взрослое сердце, она может служить лучшей моделью для тестирования лекарств и токсичных веществ, чем существующие тканеинженерные модели сердца. Исследование, проведенное учеными Колумбийского университета (Нью-Йорк) при поддержке Национальных институтов здравоохранения (NIH), опубликовано в журнале Nature.

iPSC — это клетки, взятые у взрослого человека и возвращенные в состояние, подобное стволовым клеткам. Ученые могут направлять эти «чистые» клетки в разные типы с помощью химических и физических стимулов. Создавать сердечную ткань из кардиомиоцитов, полученных из iPSC (iPS-CM), умели и раньше, но воспроизвести сложность взрослых клеток сердца человека в лаборатории до сих пор не удавалось.

«Чтобы достичь цели, мы заставили культивируемую сердечную мышцу пройти через переход от фетальной к постнатальной стадии путем ускоренного развития, — сказала профессор биомедицинской инженерии Гордана Вуньяк-Новакович. — Это было сделано с использованием iPS-CM ранней стадии и постепенного ежедневного увеличения частоты электрически индуцированных сокращений. Через всего четыре недели культивирования ткани продемонстрировали экспрессию генов, как у взрослых, ультраструктурную организацию и функциональные черты зрелой сердечной мышцы».

Команда обнаружила, что чем дольше откладывать введение физических стимулов (электрического тока и механической стимуляции) к iPSC, тем менее отзывчивыми становятся клетки. Они протестировали iPS-CM ранней (12 дней) и поздней (28 дней) стадии в трех сценариях:

1. Контроль (без стимуляции).
2. Три недели постоянной электрической стимуляции.
3. Две недели прогрессивно увеличивающейся электрической стимуляции, затем неделя постоянной стимуляции (имитация изменений в сердце в последние недели фетального развития и после рождения).

Оказалось, что третий сценарий с ранними iPS-CM помог сформировать взрослую сердечную ткань человека всего за четыре недели культивирования.

«Полученная инженерная ткань беспрецедентно похожа на функционирующую человеческую ткань, — отметила Сейла Селимович, директор программы Tissue Chips в NIBIB. — Возможность создавать зрелую сердечную ткань за такое короткое время — важный шаг к надежным человеческим тканевым моделям для тестирования лекарств». Надежная модель человеческой ткани ускорит, удешевит и сделает безопаснее разработку лекарств.