Органоїди, вирощені зі стовбурових клітин, можуть повторювати деталі біології людського серця. (Автор зображення: Йонатан Р. Льюїс-Ісраелі та ін. 2021/Nature Communications, CC BY-SA 4.0 DEED)
Як сформувалося твоє серце? Що викликало ваше перше серцебиття? Досі механізми розвитку серця людини залишаються невловимими.
Дослідники знають, що серце є першим органом, який повністю функціонує у зростаючого людського ембріона. Він починається як проста трубка, яка починає перекачувати кров до четвертого тижня вагітності. До дев'ятого тижня серце повністю сформоване. Серце має вирішальне значення для раннього розвитку, оскільки воно забезпечує необхідні поживні речовини для розвитку плода.
Але через раннє формування серце протягом тривалого часу піддається впливу речовин, з якими може контактувати вагітна людина, наприклад ліків або забруднюючих речовин. Це може бути основною причиною того, чому вроджені вади серця є найпоширенішим типом вроджених вад у людей, що зустрічається більш ніж у 1 зі 100 пологів у всьому світі.
Традиційно вчені використовували тваринні та клітинні моделі для вивчення розвитку серця та захворювань. Однак дослідники не змогли створити ліки від вроджених вад серця частково через те, що ці моделі не в змозі відобразити складність людського серця. Через етичні обмеження про використання людських ембріонів для цих досліджень не може бути й мови.
Щоб допомогти дослідникам вивчити розвиток серця та ускладнення під час вагітності, наша команда біомедичних інженерів і вчених-серцево-судинних спеціалістів протягом останніх кількох років намагалася створити найкращу річ: міні-людські серця в лабораторії.
Органоїди серця людини
Органоїди — це складні тривимірні клітинні структури, які повторюють важливі аспекти структури та функції певного органу вашого тіла. Хоча органоїди ще не є повністю синтетичними функціонуючими органами, вони все ще володіють величезною силою імітувати ключові аспекти фізіології та хвороб у лабораторії.
Ми створили серцеві органоїди, використовуючи тип клітини, який називається плюрипотентною стовбуровою клітиною. Хоча раніше використання цих клітин у дослідженнях було суперечливим, оскільки вони спочатку були отримані з людських ембріонів, це вже не викликає занепокоєння, оскільки вони можуть бути отримані від будь-якої дорослої людини. Плюрипотентні стовбурові клітини можуть стати будь-яким типом клітин в організмі. Це означає, що клітини майже будь-якої частини вашого тіла — як правило, клітини крові чи шкіри — можна перетворити на власні стовбурові клітини, щоб виростити ваше власне міні-серце.
Цей малюнок показує, що органоїд серця розвивається протягом 15 днів. Верхній рядок – це зображення світлового мікроскопа, тоді як два нижні рядки показують два конкретні білки, виділені червоним і синім.
Маніпулюючи здатністю плюрипотентних стовбурових клітин перетворюватися на клітини будь-якого типу в організмі, ми зробили ці клітини клітинами серця. Клітини змогли самозбиратися, відтворюючи основні етапи розвитку людського серця під час вагітності. Наші серцеві органоїди мають кровоносні судини та всі типи клітин людського серця, такі як кардіоміоцити та клітини кардіостимулятора, що дає їм перевагу перед 2D клітинними моделями. Крім того, електрофізіологія та біоенергетика цих серцевих органоїдів дуже схожі на людські ембріональні серця, ніж тваринні моделі.
Наші серцеві органоїди б’ються, як крихітне дитяче серце, менше рисового зерна.
Вагітність і серце плода
Однією з сфер, яку ми досліджуємо за допомогою наших серцевих органоїдів, є здоров’я серця матері та плода. Фактори матері, такі як діабет, гіпертонія чи навіть депресія, можуть збільшити ризик серцевих захворювань у новонароджених. Вивчення умов, які підвищують ризик вроджених вад серця, може запобігти та зменшити захворюваність серцево-судинними захворюваннями в усьому світі.
Ми можемо імітувати це материнське середовище та змоделювати, як вони впливають на розвиток серця плоду за допомогою серцевих органоїдів. Наприклад, ми використали серцеві органоїди, щоб показати, що діабет, дуже поширений стан, підвищує ризик серцевих захворювань у ембріонів. Порівняно з серцевими органоїдами, створеними в здорових умовах, міні-серця, які піддавалися впливу діабетичних станів, розвинули аномалії серця, подібні до людських плодів і новонароджених з діабетичною кардіоміопатією.
Наше дослідження виявило, що аномалії розвитку серця, пов’язані з діабетом, ймовірно, викликані дисбалансом омега-3 жирних кислот, будівельних блоків клітинних мембран і сигнальних молекул. Однак харчові добавки омега-3 жирних кислот можуть частково відновити цей дисбаланс і запобігти вродженим вадам серця, спричиненим діабетом.
Безпека препарату під час вагітності
Препарати, які приймають вагітні, можуть мати значний вплив на здоров’я як батьків, так і плоду. Ліки, дозволені до використання під час вагітності, не завжди безпечні, оскільки адекватне обстеження є складним. Етичні міркування обмежують роботу з біологічним матеріалом від людей, тому дослідники залишаються з тваринними моделями, які не здатні достатньо точно відтворити фізіологію людини.
Тестування ліків на органоїдах людського серця дозволяє дослідникам краще вивчити та передбачити потенційні шкідливі наслідки під час вагітності. Одним із прикладів є ондансетрон (Зофран), препарат, який зазвичай призначають для запобігання нудоті та блювоті під час вагітності. Хоча це було пов’язано з підвищеним ризиком вроджених вад серця, чи викликає це захворювання, не підтверджено.
Ми показали, що серцеві органоїди під впливом ондансетрону порушували розвиток шлуночкових клітин і порушували функцію, подібно до того, що спостерігається у новонароджених, які піддавалися ондансетрону. Наші висновки надають дані, які можуть допомогти оновити клінічні рекомендації щодо використання препарату.
Деякі ліки можуть збільшити ризик вроджених вад серця.
Інший приклад стосується використання антидепресантів під час вагітності, що пов'язано з підвищеним ризиком вроджених вад серця. Селективні інгібітори зворотного захоплення серотоніну або СИОЗС, антидепресанти, які найчастіше призначають вагітним, діють, збільшуючи доступність серотоніну в організмі. Серотонін є важливою молекулою для розвитку серця. Серотонін матері разом з антидепресантами легко переходить до ембріона та змінює рівень серотоніну в серці, що розвивається.
У майбутньому ми плануємо піддати серцеві органоїди дії антидепресантів і вивчити їх вплив на частоту вроджених вад серця. Результати таких досліджень людських серцевих органоїдів також можуть дати рекомендації щодо заміни або перепрофілювання ліків.
Серцеві органоїди можуть допомогти вченим точніше вивчити, як у людини формується серце і як у ньому розвиваються хвороби. У сфері медичних інновацій ми вважаємо, що органоїди людського серця, вирощені зі стовбурових клітин, є перспективною обіцянкою здоровішого майбутнього.
Ця відредагована стаття перепублікована з The Conversation під ліцензією Creative Commons. Прочитайте оригінальну статтю.
Бретт ВолмертСоціальні посилання НавігаціяPh.D. Кандидат біомедичної інженерії, Мічиганський державний університет
Фольмерт є доктором філософії. кандидат кафедри біомедичної інженерії Інженерного коледжу МДУ. Він отримав ступінь бакалавра в галузі інженерії біоматеріалів в Університеті Іллінойсу та є лауреатом нагороди James Scholar Honors Award і Academic Achievement Withrow Fellowship Award.
Sourse: www.livescience.com
