Учени от Виена изобретиха 3D сърцевиден модел, имитирайки естествения процес на изграждане на органи в ембриона

Хиляди миниатюрни подобия на сърца колкото сусамено зърно, които пулсират сами, са създадени в лаборатория във Виена. Под въздействието на определени сигнали те се свиват и разпускат ритмично. За да проучат механизмите им и какво би могло да им помогне да се възстановят от болести, учените ги подлагат на генни мутации и дори на удар, подобен на инфаркт.

Ръководител на групата, работила по проекта, е Саша Менджан от Института по молекулярна биотехнология към Австрийската академия на науките. Резултатите са публикувани в авторитетното научно списание „Сел“. Откритието дава

надежда за милиони сърдечноболни на Стария континент.

Всяка година почти 4 милиона европейци умират от сърце, като в държавите от Европейския съюз те са близо 2 милиона - цели 37% от всички починали. Данните на Европейската кардиологична мрежа потвърждават притеснителни тенденции в световен мащаб - през 2019 г. 17,9 милиона души на планетата са издъхнали от сърдечносъдови болести (32% от всички смъртни случаи). Затова изследванията как да се подобри лечението на този жизненоважен орган в човешкото тяло имат такава значимост.

За да създадат минисърцата, които наричат кардиоиди, учените от Виена използват стволови клетки. Към тях насочват сигнали по химичен път – вещества, които играят важна роля за вътреутробното развитие на сърцето. Подложени на въздействието им, тези миниорганоиди започват сами, без намеса, да се свиват и разпускат като истински сърца. Нещо повече, екипът забелязва, че сноповете клетки се самоорганизират по абсолютно същия начин, както постепенно се създава сърцето на ембриона в утробата на майката.

Мускулният орган на кръвообращението се оформя около 18-ия ден от бременността, а

първите пулсации се долавят около 22-рия ден.

В лабораторния вариант на Института по биомедицина във Виена дейност се забелязва на петия ден, а до седмия вече се наблюдават ритмични туптения.

„Публикацията проследява добре клетъчните процеси и начина, по който се формира многоклетъчна органоидна структура от полипотентни стволови клетки – коментира специално за сп. „Космос“ професорът по клетъчна и транслационна кардиология Йоост Сльойтер от Лабораторията по експериментална кардиология, Утрехтския възстановителен медицински център и Университетския медицински център в Утрехт, Нидерландия. – Това са важни стъпки към разбирането как те комуникират и работят заедно. Моделите могат да се използват и за да се обясни какво се случва при миокарден инфаркт или други увреждащи заболявания, както и за скрининг и намиране на нови подходящи лекарства в многоклетъчна среда.“

За успех при подобен опит съобщават и от Изследователския център за транслационална регенеративна медицина към Медицинския университет в Хановер. Техните резултати бяха публикувани в друго авторитетно научно списание – „Нейчър“. Екипът, начело с Роберт Цвайгерт, също е създал 3D минисърца, като следвал принципите на кардиогенезата в ранното ембрионално развитие. Големият плюс на учените от Германия е, че техните минисърца са снабдени с подобие на кръвоносна мрежа.

Използван е пространствено-времевият модел на ранното образуване на сърцето, при което клетките си взаимодействат с тези на стомашно-чревния тракт. Опитите на екипа са проведени със стволови клетки на възрастен индивид. Изследвали снопове с различен брой клетки – 500, 3500, 5000 и 10 000. И така получили ритмично туптене в 3D модела, съставен от 5000 клетки.

В експеримента в Хановер пулсът на органоида се появил около 14-ия ден – малко по-късно в сравнение с колегите им от Виена. Германският екип

проучва и гените, от които е съставено миниатюрното сърце,

и установява, че няколко от тях са характерни и за истинското.

Техните органоиди са създадени по подобен на модела от Австрия – сноповете стволови клетки са поставени в специална течност и са им подадени сигнали чрез малки молекули. За визуализиране на случващото се в Хановер използват оцветяващ протеин, за да разберат има ли в сърцевидните образувания генетични дефекти, наблюдавани преди това при експерименти с мишки.

Какви са другите прилики и

какви са разликите с човешкото сърце

на тези образувания?

При миниатюрните кардиоиди също се образува кухина както тази на сърдечната камера. В нея изпомпват течност. Учените откриват, че тя е съставена от същите три слоя клетки, които са характерни за естествените сърца – ендокард (изгражда вътрешната част), миокард (мускулната тъкан) и перикард (която го отделя от другите органи).

„Водехме се от правилото, че за да бъде физиологична тъканта, трябва да се подложи на органогенеза. Успяхме да го постигнем чрез принципа на самоизграждането, което прави откритието толкова невероятно“, обяснява Саша Менджан. Учените имитират това, което се случва в ембрионалното развитие – от мезодермалния слой в стволовите клетки се образува сърцеподобен органоид под въздействието на определени сигнали. При това без да използват помощна матрица, с каквато са си служили други учени преди години. „Сърдечната мезодерма притежава свойството да се самоорганизира и да формира кухина, която е сърдечноподобна“, коментира опитите Саша Менджан.

Функцията и съставът на тъканите са сходни, но туптящите минитопченца имат само една камера, докато човешкото сърце разполага с четири. Голяма част от кардиоидите

наподобяват най-голямата сърдечна камера – лявата.

При хората там е разположена клапата, която при отварянето си пропуска кръвта към аортата, а оттам тя тръгва по пътя на кръвообращението към цялото тяло. В самата лява камера кръвта нахлува от лявото предсърдие чрез мистралната клапа.

Друго, което отличава еднокамерните кардиоиди от експеримента във Виена от четирикамерното сърце, е, че от тях не излизат артерии и не влизат вени, тоест те не са свързани с кръвоносна система. Вероятно това би могло да се случи при последващи опити и допълнителни изследвания.

Окуражаващо в тази насока се оказва откритието, че минипомпите са издръжливи и на стрес, отбелязва сайтът на сп. „Смитсониан“. Учените установяват това абсолютно случайно, благодарение на една забавена заради пандемията доставка. Изпращат част от пулсиращите сърцеподобни органоиди на колега, който проучвал какво е въздействието на коронавируса върху сърцето. Пратката обаче е блокирана заради намаления брой на самолетните полети. Кардиоидите стигат до местоназначението си с 4 дни закъснение, но се оказват „живи“, въпреки че са изложени на опасната за тях стайна температура. Предполага се, че запазването им се дължи на факта, че са били в епруветки с пълна с хранителни вещества течност.

„Те все още туптяха!“, не крие възторга си водещият учен по проекта Саша Менджан. Така екипът неочаквано получава доказателство за устойчивостта на кардиоидите. Изследователите

третирали сноповете полипотентни стволови клетки

(които иначе могат да се превърнат в който и да е орган на тялото при определени сигнали) с шест химически елемента. Избират такива, които са ключови в развитието на човешкото сърце. Според Менджан при предишни опити други биомедици са използвали само два или три елемента.

Той подозира, че ако не получат пълния набор от сигнали, стволовите клетки „се объркват“. Затова участието на всичките шест фактора е било от огромно значение за успеха на експеримента.

Екипът на Саша Менджан не се е ограничил само до създаването на сърцевидния модел, а продължава с проучване на реакцията му при определени болести и въздействия. Някои от туптящите мини сърца нарочно били създадени с генетични мутации. Оказва се, че в този случай те стават още по-малки от останалите. Така биомедиците започват да изучават сърдечните дефекти, които при наличието на променен ген се проявяват още в най-ранното зародишно развитие и засягат два процента от бебетата.

Чрез този подход проблемът може да се установи в много ранен етап, което в реална среда не би могло да стане. „В този момент жените дори не знаят, че са бременни, затова няма начин да видим какво се случва с човешкия ембрион“, обяснява експеримента Менджан. Има заболявания, които се появяват още в първия месец – като синдрома на хипопластичното ляво сърце, който води до смърт, ако бебето не се оперира.

Друг опит, който са направили австрийските учени, е да проверят

как кардиоидите реагират в подобна на инфаркт ситуация.

За да имитират удара, използват щифт като този, с който се изваждат симкартите на смартфоните. Потопяват го в течен азот до минус 177 градуса и го допират до снопа с клетки. Тези, които са в контакт с изстудения метал, умират, но не се стопяват, не изчезват! Постепенно клетките, чиято функция е да възстановяват тъканите, се струпват около засегнатото място и то започва да оздравява.

Интересното е, че различните кардиоиди реагират различно. Една част от тях наподобяват сърце на ембрион. При тях регенерацията става почти напълно. Другите, които имитират сърце на възрастен човек, получават нещо като съединително-тъканни белези – точно както при инфаркт.

Наранените участъци не пулсират толкова ритмично като здравите и не изпомпват течността около себе си. Но все пак някои от минисърцата успели да се възстановят. Сега усилията на биомедиците са насочени именно към „претърпелите сърдечен удар“ участъци. Искат да разберат

по какви механизми се регенерират,

за да се намери начин за по-ефикасно лечение на хората след инфаркт.

Откритието може да даде тласък в изработването на нови лекарства и терапии. Екипът вече е установил, че кардиоидите реагират по същия начин като сърцето на химическите вещества в заобикалящата ги среда. При третиране с адреналин минибалончетата започнали да бият много бързо. Точно това се случва и при прекаралите инфаркт пациенти, когато им влеят от хормона на силните преживявания.

Ако един ден учените успеят да „сглобят“ истинско сърце от стволови клетки – с кръвоносни съдове и всички функции, тогава може би хората със сърдечни болести ще подобрят качеството си на живот. И този тип лечение може да измести трансплантацията, чийто голям недостатък е, че

трудно се намират донори.

Освен това някои от пациентите понасят зле присадените чужди сърца. А създадени от стволови клетки, те вероятно ще бъдат приемани по-леко от организма.

На въпрос на сп. „Космос“ може ли описаните експерименти да доведат до следващата стъпка – създаване на сърце с кръвоносни съдове, четири камери и може ли да бъде модел за трансплантация в бъдеще, проф. Сльойтер отговори: „За следващата стъпка ще е необходим още по-голям напредък, защото не са достатъчни само много клетки и малка кухина. Сърцето е мускулно наслоен орган – три отделни слоя, оформени вретеновидно, предизвикват вретеновидна контракция, за да могат да придвижат кръвта. Създаването на подобен подход, също и на матричен компонент и организация, е от съществено значение. В момента се изпълняват такива програми, но разбира се, публикуваните проучвания тласкат изследванията напред.“