Механизмы действия стволовых клеток на сердце. Неоваскуляризация миокарда

Обновлено: 30.04.2024

СТВОЛОВЫЕ КЛЕТКИ СЕРДЦА: МЕХАНИЗМЫ УЧАСТИЯ В РЕГЕНЕРАЦИИ МИОКАРДА, ПЕРСПЕКТИВЫ ИСПОЛЬЗОВАНИЯ В РЕГЕНЕРАТИВНОЙ МЕДИЦИНЕ доклад на конференции

Авторы: Дергилев К.В., Цоколаева З.И., Парфенова Е.В., Болдырева М.А., Макаревич П.И.
Международная Конференция : V Съезд физиологов СНГ, V Съезд Биохимиков России
Даты проведения конференции: 4-8 октября 2016
Дата доклада: 5 октября 2016
Тип доклада: Устный
Докладчик: не указан
Место проведения: Сочи, Россия
Аннотация доклада:

В течение 100 лет в биологии и медицине господствовала парадигма, основанная на представлении о том, что сердце яв-ляется постмитотическим органом, не способно к регенерации, и кардиомиоциты, погибшие при повреждении или заболева-нии, замещаются фиброзной тканью, что неизбежно приводит к развитию сердечной недостаточности. Исследования по-следнего десятилетия, показали, что сердце имеет регенеративный потенциал, хотя и очень ограниченный. В значительной степени этот потенциал обусловлен наличием в миокарде резидентных стволовых/прогениторных клеток, характеризую-щихся экспрессией на своей поверхности рецептора к фактору стволовых клеток (SCF) - c-kit+ прогениторные клетки сердца (ПКС). Эти клетки способны к самообновлению, образованию клонов из одной клетки и дифференцировке в эндотелиаль-ные, гладкомышечные клетки и кардиомиоциты. Они локализуются и функционируют в миокарде в определенном микроок-ружении - «клеточных нишах», располагающихся в области предсердий и верхушки сердца. При инфаркте эти клетки акти-вируются, пролиферируют и мигрируют в область инфаркта, где, вероятно, дифференцируются в клетки миокарда и участ-вуют в его восстановлении. Помимо способности к кардиальной дифференцировке ПКС обладают выраженной паракринной активностью, обусловленной секрецией широкого набора факторов роста. Благодаря этим свойствам ПКС являются пер-спективным типом клеток для клеточной терапии и тканевой инженерии сердца. Их трансплантация в виде сформированных in vitro клеточных пластов на область экспериментального инфаркта способствует стимуляции васкуляризации подлежащего миокарда, стимулирует репаративные/регенеративные процессы и предотвращает постинфарктное ремоделирование левого желудочка. Работа поддержана государственным контрактом №14.610.21.0001 от 03.10.2014.

Механизмы действия стволовых клеток на сердце. Неоваскуляризация миокарда

1 Крымская медицинская академия имени С. И. Георгиевского ФГАОУВО «Крымский федеральный университет им. В. И. Вернадского»

В статье проанализированы данные литературы о стволовых клетках (CК) различного происхождения и их использовании в экспериментальной и практической медицине. Одним из наиболее современных подходов для повышения регенерационного потенциала сердца является применение клеточной терапии. В миокарде выделен пул одноядерных СК сердца, способных вступать в клеточный цикл с завершенным карио- и цитокинезом. Пролиферативная активность прогениторных клеток сердца максимальна в неонатальном периоде и снижается с возрастом. Знание критических периодов развития сердца необходимо для разработки новых превентивных мер с целью сохранения пролиферативного потенциала миокарда и профилактики сердечно - сосудистых заболеваний. Трансплантация СК в зону инфаркта приводит к уменьшению объема рубцовой ткани и улучшению функциональных параметров миокарда.

2. Дергилев К.В., Рубина К.А , Парфенова Е.В. Резидентные стволовые клетки сердца // Кардиология. Ежемесячный научно-практический журнал. - 2011. - №4. - С.84-92. (дата обращения 12.08.16)

6. Плотников Е. Ю. Стволовые клетки в регенеративной терапии сердечных заболеваний: Роль межклеточных взаимодействий. // Научный журнал Гены и клетки

8. Репин В.С. Эмбриональные стволовые клетки: фундаментальная биология и медицина / В.С. Репин, А.А. Ржанинова, Шаменков Д.А. - М: Реметэкс, 2002. - с. 176

АННОТАЦИЯ

Ключевые слова: эмбриональные стволовые клетки; фетальные стволовые клетки; мультипотентные мезенхимальные стволовые клетки; прогениторные/стоволовые клетки сердца; регенерация миокарда.

ABSTRACT

The literature data about stem cells of different origins and their use in experimental and practical medicine have analyzed in the article. Cell therapy is one of the most modern approaches to improve the regenerative capacity of the heart. Mononuclear cardiac stem cells have found in the myocardium, that are able to get into the mitosis with completed karyo- and cytokinesis. Proliferative activity of the heart progenitor cells is the maximum in the neonatal period and decreases with age. Knowledge about the critical periods of the heart development is necessary for the working out of new preventive measures to keep the proliferative capacity of the myocardium and prevention of cardio - vascular diseases. SC transplantation in the infarcted area reduces the volume of scar tissue and increase myocardial functional parameters.

Keywords: embryonic stem cells; fetal stem cells; multipotent mesenchymal stem cell; heart progenitor/stem cells; myocardial regeneration.

Болезни сердечно - сосудистой системы являются одной из главных медико-социальных проблем, стоящих перед здравоохранением всех экономически развитых стран мира. Из 17 млн., погибших от болезней кровообращения за 2014 год, 1,3 млн. пришлось только на Россию, что составляет 56,9% общей смертности населения (по данным Федеральной службы государственной статистики). [8, с.1]. При этом более трети случаев приходится на патологию, связанную с утратой части работоспособного миокарда (ишемическую болезнь сердца, инфаркт миокарда, хроническую сердечную недостаточность). Лечение этих заболеваний прошло большой путь: от медикаментозной терапии до высокотехнологичных хирургических вмешательств. Поскольку между объемом пораженного миокарда и смертностью от острого коронарного синдрома имеется прямая зависимость, проблема физиологической регенерации кардиомиоцитов (КМЦ) сердечной ткани в течение многих лет стоит в центре научных исследований во всех странах мира. Именно поэтому разрабатываются новые стратегии клеточной терапии, при которых создаются условия для восстановления функционально - ведущей ткани миокарда - сократительных КМЦ.

В зависимости от источника получения стволовые клетки (СК) подразделяют на эмбриональные, фетальные и постнатальные. Эмбриональные стволовые клетки (ЭСК) образуются на 4-5 сутки после оплодотворения из бластоцисты. В отсутствие стимулов к дифференциации in vitro, ЭСК могут поддерживать плюрипотентность в течение многих клеточных делений и, обладая низким уровнем иммунореактивности, практически никогда не вызывают реакции отторжения. [6, с.12]( Репин

Фетальные стволовые клетки (ФСК) получают из плодного материала на 9 - 11 неделе внутриутробного развития. При этом ФСК уже вступили в процесс дифференцировки и, пройдя ограниченное число делений, дают начало только определённым видам специализированных клеток.

Способность ЭСК и ФСК к митозу послужила основой их применения для лечения экспериментального инфаркта миокарда (ИМ) у мышей. После трансплантации ФСК в поврежденный миокард, в толще рубцовой ткани удалось выявить жизнеспособные, пролиферирующие КМЦ. При трансплантации неонатальных СК были получены аналогичные результаты. Однако, возникновение новой сердечной мышечной ткани не приводило к ее интеграции с миокардом реципиента. Это вызывало появление очагов гетеротропного возбуждения и, как следствие, возникновение аритмии. Кроме того, получение ЭСК и ФСК из эмбриональной ткани имеет серьезный морально-этический аспект, ограничивающий их широкое применение. [4, с.523] Цитология

Создание ЭСК путем перепрограммирования других клеток организма изначально было признано не эффективным, так как максимальная продуктивность процесса составляет всего 2%. [6, с.40]Репин Тем не менее, современные подходы с использованием экзогенного введения факторов транскрипции, демонстрируют возможность прямой трансдифференцировки фибробластов в зрелые КМЦ, минуя плюрипотентное состояние, и находятся на стадии экспериментальной разработки. [12, с.1] W

В качестве еще одного источника обновления КМЦ, с 1999 г., изучаются мультипотентные мезенхимальные стромальные клетки (ММСК) способные дифференцироваться в остеобласты, хондроциты, адипоциты, миоциты и кардиомиоциты. Источником этих клеток являются костный мозг, жировая ткань, пульпа молочных зубов, амниотическая жидкость, пуповинная кровь и вартонов студень. [3, с.32] Калинина Кардиомиоцитарный клеточный клон был получен из стволовых клеток костного мозга (СКК) in vitro путем обработки их 5-азацитидином (аналогом цитозина, способным индуцировать дифференцировку). Затем культура была подвергнута повторному скринингу с отбором клеток, способных к спонтанному сокращению. Клеточный клон был назван CMG (cardiomiogenic cell), было показано, что полученные клетки соответствовали кардиомиоцитам ультраструктурно и электрофизиологически, также отмечалась экспрессия кардиомиоцитарных генов (ANP, BNP, GATA 4, Nkx2,5/Csx). [3, с. 34; 4, с. 524] Цитология 2008

Выявленная способность ММСК дифференцироваться в кардиомиоцитарном направлении в дальнейшем была изучена при введении их в кровоток при экспериментальном ИМ у лабораторных животных. При гистологическом анализе зоны инфаркта были обнаружены КМЦ с донорской меткой, которые экспрессировали α-актинин, тропонин-Т, тропомиозин,, тяжелые цепи миозина и коннексин-43. Трансплантация ММСК в зону инфаркта приводила к значимому улучшению функциональных параметров поврежденного миокарда. Удалось показать также, что введение ММСК вызывало усиление ангиогенеза вследствие повышения эндогенной продукции фактора роста эндотелия сосудов VEGF. Таким образом, были продемонстрированы уникальные свойства ММСК: способность мигрировать в зону инфаркта из кровотока, дифференцироваться в сократительные КМЦ, продуцировать факторы, стимулирующие неоангиогенез. Требующими решения оставались вопросы выживаемости трансплантата и электрической ассоциации с КМЦ реципиента. [3] Цитология 2008

На современном этапе исследований установлено, что полипотентные стволовые клетки резидентно присутствуют (или могут формироваться в результате дедифференцировки) во всех органах взрослого организма. При стимуляции ростовыми факторами, они замещают погибающие апоптозом клетки.

Еще несколько десятилетий назад распространенным мнением являлось, что КМЦ не способны вступать в митоз. Дифференцируясь вскоре после рождения, КМЦ сохраняются на протяжении всей жизни. Начиная с 7 месяца после рождения, они не пролиферируют, а гемодинамическая нагрузка вызывает только гипертрофию сердечной мышцы. Фактором, ограничивающим пролиферацию КМЦ, является присутствие строго ориентированных агрегатов сократительных белков - миофибрилл, которые препятствуют процессам цитокинеза. При патологии миокарда, в частности ишемии, как проявление адаптивно-компенсаторной реакции, отмечается избыточная полиплоидия путем незавершенного митоза, что результируется в появлении одноядерных тетраплоидных, двуядерных диплоидных, политенных КМЦ. Данный феномен связан с резким уменьшением сократительного миофибриллярного белка в расчете на геном, истончением и удлинением КМЦ и снижением сократительной способности миокарда, диагностируемой по изменению сердечного индекса. [5] Разумов

Развитие авторадиографических методов исследования позволило изменить эти представления. Обнаружены одноядерные, т.н. «малые» КМЦ, способные вступать в клеточный цикл с завершенным карио- и цитокинезом. Доказано, что около 1% клеток взрослого сердца обновляется в течение года, и 45% КМЦ являются новообразованными к 50 годам. Клеточное ремоделирование миокарда - пожизненный процесс, однако большинство КМЦ образованы перинатально (с 22 недели внутриутробного развития по 7 сутки жизни новорожденного). Регенеративный потенциал СК сердца неодинаков в разные возрастные периоды. Наибольшая пролиферативная активность отмечается в неонатальном сердце, затем уменьшается с возрастом, составляя во взрослом миокарде менее 1%. Различают временные рамки критических периодов в развитии сердца, совпадающие с переключением пролиферативного роста на полиплоидию. У человека это эмбриональный и неонеатальный периоды, детство, пубертатный период и юность. [1] Знание периодических особенностей развития сердца может быть полезно в разработке мероприятий по профилактике патологии миокарда, сохранения его пролиферативного ресурса, начиная с периода новорожденности.

В миокарде были выделены три популяции резидентных стволовых клеток: с-Kit +, Sca-1 +, и SP (side population). [7, 9, с.4] Kuhn EN, Несущие на своей поверхности рецептор к фактору стволовых клеток, клоногенные с-Kit-клетки могут давать рост кардиомиоцитов, эндотелиальных и гладкомышечных клеток in vitro и формировать функциональный миокард in vivo. Клетки, несущие на своей поверхности антиген Sca-1+, характеризующий СК мыши (Sca-1-клетки) также способны к самообновлению и дифференцировке в кардиомиоциты. SP-клетки идентифицированы по способности исключить ДНК-связывающий краситель Хекст, они были выделены из многих тканей взрослого организма. Сердечные SP-клетки способны к пролиферации и дифференцировке как в кардиомиоцитарную, так и в гемопоэтическую линию. Также были идентифицированы неонатальные Isl-1+ кардиальные клетки - предшественники у мышей, крыс и человека, дифференцирующиеся в КМЦ.

Культура, состоящая из клеток, экспрессирующих маркер стволовых клеток с-Kit и маркеры эндотелиальных предшественников, могут образовывать «кардиосферы». Кардиосфера представляет собой трехмерную структуру, состоящую из клеток разных фенотипов: в ее центре находятся недифференцированные с-Kit + пролиферирующие клетки, а по периферии - клетки, несущие маркеры кардиомиоцитарной и эндотелиальной дифференцировки, а также мезенхимные клетки.

Не окончательное решенние проблем идентификации кардиомиогенного потенциала кардиосфер и поиска оптимальной модели применения факторов обеспечивающих пролиферацию, рост и дифференцировку СК объясняют сдержанное отношение к заместительному кардиомиогенезу, а клинические практические рекомендации (Сlinical practice guidelines; CPGs) по-прежнему не рассматривают пролиферацию КМЦ как компонент ремоделирования сердца.[5] Разумов

Созревание кардиомиоцитов: научные достижения и последствия для регенеративной медицины

Ишемическая болезнь сердца (ИБС) является одной из ведущих причин смерти по всему миру. Инфаркт миокарда — основное проявление ИБС, приводящее к отмиранию части кардиомиоцитов и последующему их замещению соединительной тканью. В результате формируется рубец; такая ткань в составе сердца не способна участвовать в выполнении его основной функции — сокращения, что приводит к сердечной недостаточности.

Для профилактики остановок сердца и других неблагоприятных последствий ИБС было разработано множество различных подходов: пересадка сердца, искусственные аппараты, а также трансплантация кардиомиоцитов, чаще всего полученных из индуцированных плюрипотентных стволовых клеток (ИПСК) и эмбриональных стволовых клеток (ЭСК).

Индуцированные плюрипотентные стволовые клетки (ИПСК)

Индуцированные плюрипотентные клетки кардинально изменили область регенеративной биомедицины, однако в отношении предшественников кардиомиоцитов на данное время остается немало нерешенных вопросов. Одна из таких проблем заключается в том, что индуцированные плюрипотентные кардиомиоциты остаются незрелыми в сравнении в кардиомиоцитами взрослого человека. Данный факт ограничивает использование культур кардиомиоцитов (например, в фармакологических исследованиях).

Кардиомиоциты, полученные из ИПСК, во многом похожи на первичные кардиомиоциты: они имеют схожий набор ионных каналов, структуру саркомеров, характерные всплески концентрации ионов кальция. Однако их применение ограничено ввиду незрелого фетального фенотипа — они имеют недостаточно структурированные миофибриллы, меньший размер клетки, отличные от присущих зрелым кардиомиоцитам электрические свойства и силу сокращения. Фетальные кардиомиоциты имеют округлую форму, в то время как зрелые — удлиненную или палочковидную.

Для преодоления этих проблем был разработан ряд лабораторных методов [1].

1. Долгосрочные культуры

Через 80-120 дней культивирования показаны критические изменения фенотипа фетальных кардиомиоцитов по сравнению с кардиомиоцитами, культивированными в течение 20-40 дней. Такие клетки увеличиваются в размерах, становятся более поляризованными, миофибриллы уплотняются, и саркомеры становятся более структурированными. Также значительно увеличивается фракция многоядерных кардиомиоцитов. Помимо этого, отмечают другой, более зрелый, характер сокращения и кальциевых колебаний в таких клетках. Данные изменения связывают с экспрессией ключевых кардиомиоцитарных маркеров — тяжелых цепей β-миозина и коннексина-43 [2].

2. Жесткие субстраты

Увеличение жесткости субстрата обычно позволяет кардиомиоцитам приобрести более зрелый фенотип. Это связано с тем, что во время эмбрионального развития базальные мембраны и внеклеточный матрикс претерпевают изменения и накапливают больше коллагена. Таким образом, добавление к подложке культивируемых кардиомиоцитов различных жестких субстратов повторяет условия созревания этих клеток in vivo. Кроме того, механически напряженный субстрат (например, из фибрилл коллагена) облегчает ориентировку кардиомиоцитов в пространстве — в результате они вытягиваются вдоль волокон, что ведет и к другим физиологическим изменениям [3].

3. Электрическая стимуляция

В определенный момент эмбрионального развития кардиомиоциты начинают сокращаться. Электрические стимулы соседних клеток помогают кардиомиоцитам синхронизироваться, чтобы полноценно выполнять функции сердца. В условиях клеточных культур невозможно воспроизвести все процессы, происходящие в эмбрионе, и точные механизмы спонтанного возникновения сокращений до сих пор неизвестны. Внешняя электростимуляция имитирует стимулы от соседних клеток, уже начавших сокращаться, и поэтому позволяет запустить завершающие стадии созревания кардиомиоцитов [4].

4. Сигнальные молекулы. Гормоны

Известно, что решающую роль в развитии сердечно-сосудистой ткани играют гормоны щитовидной железы. Их влияние в своей работе продемонстрировали Янг c соавт. [11]. Было показано, что обработка индуцированных плюрипотентных кардиомиоцитов трийодтиронином изменяет морфологию клеток — они становятся более крупными и удлиненными с большей длиной саркомеров. Также повысилась митохондриальная активность и усилился уровень высвобождения и захвата кальция в кардиомиоцитах, что способствовало усилению сократительной активности клеток. Замечено, что добавление аналога глюкокортикостероида — дексаметазона — к культуре кардиомиоцитов, полученных из ИПСК, усиливает их созревание [12].

5. Сокультивирование с другими типами клеток

Подобно прочим ведущим клеточным элементам тканей и органов, кардиомиоциты составляют далеко не всю массу сердца. Помимо них в сердце присутствует большое число фибробластов, эндотелиальных клеток и т.д. Чтобы получить условия, наиболее близкие к физиологическим, необходимо воссоздать все компоненты микроокружения клеток сердечно-сосудистой системы. В многочисленных исследованиях было показано, что микроокружение и ниша стволовой клетки играет определяющую роль в ее судьбе. Это справедливо и для незрелых кардиомиоцитов. Поэтому добавление даже 1-2 типов клеток к культуре кардиомиоцитов позволяет добиться более быстрого и полного созревания [5].

В исследовании Абекасиса с соавт. индуцированные плюрипотентные кардиомиоциты культивировали совместно с мезенхимными стволовыми клетками (МСК) и эндотелиальными клетками [8]. МСК секретируют во внеклеточное пространство ряд факторов для обеспечения дифференцировки и связи с ИПСК, а эндотелиальные клетки экспрессируют компоненты внеклеточного матрикса, взаимодействие с которыми способствует увеличению длины саркомеров. Благодаря этим молекулам совместное культивирование с МСК и эндотелиоцитами усиливает созревание индуцированных плюрипотентных кардиомиоцитов.

6. Переключение клеточного источника энергии

В незрелом состоянии клетки используют в качестве источника энергии аэробный гликолиз вместо наиболее эффективного митохондриального окислительного фосфорилирования. У ученых возникла гипотеза, что переключение незрелого пути получения АТФ на зрелый способствует созреванию кардиомиоцитов, а также изменяет их физико-химические свойства, адаптируя к внешним условиям.

Переключить путь метаболизма возможно с помощью белка PGC-1α (peroxisome proliferator-activated receptor gamma coactivator 1-alpha). В исследовании Лиу с соавт. [10] было показано, что активатор ZLN005 усиливает экспрессию PGC-1α, тем самым индуцируя характерный для зрелых клеток энергетический обмен, что вызывает созревание кардиомиоцитов. Такие кардиомиоциты являются наиболее идентичными естественным кардиомиоцитам человека.

Более простым способом является переключение метаболизма с гликолиза на окисление жирных кислот [9], что тоже достоверно способствует созреванию кардиомиоцитов. Для этого глюкозу в культуре клеток заменяют на галактозу и жирные кислоты — в частности пальмитиновую, олеиновую, линоленовую кислоты и карнитин.

7. 3D-культивирование

Для трехмерного культивирования кардиомиоцитов чаще всего используют гидрогели. Гидрогели позволяют смоделировать нативные условия для данного типа клеток за счет имитации трехмерного внеклеточного матрикса. Для сердечной тканевой инженерии используется широкий спектр синтетических и натуральных гидрогелей: матригель, фибрин, альгинат, желатин, коллаген, полиэтиленгликоль и многие другие. Чаще всего гидрогели комбинируют с другими подходами для более эффективной стимуляции созревания кардиомиоцитов [6, 7].

Инфаркт миокарда: регенерация кардиомиоцитов с помощью стволовых клеток

Инфаркт миокарда до сих пор считается одной из наиболее частых причин смерти. Согласно Федеральному статистическому ведомству Германии, более 49,00 процентилей человек умерло от инфаркта миокарда или его осложнений. И все же смертность после инфаркта миокарда значительно снизилась за последние десятилетия. По сравнению с началом 1990-х, она уменьшилась вдвое по состоянию на 2015 год, в соответствии с данными Немецкого общества кардиологов (DGK). Причинами этого служат повышение качества профилактики, терапии и реабилитации.

Сердечный приступ оставляет шрамы.

Проблема в том, что в момент любого инфаркта часть кардиомиоцитов погибает, оставляя более или менее выраженные рубцы. За последние годы попытки заменить погибшие клетки на адекватно функционирующие кардиомиоциты с помощью стволовых клеток были не так успешны, как ожидалось.

Недавние результаты исследования ученых из Вюрцбургского университета (JMU) демонстрируют новый подход к лечению инфаркта миокарда. Группа ученых под руководством профессора Süleyman Ergün, главы института анатомии и клеточной биологии JMU, сосредоточили внимание на особом типе стволовых клеток, которые были обнаружены в стенках сосудов. На данный момент ученые опубликовали результаты их работы в журнале “Circulation Research”.

Помощь от кровеносных сосудов сердца.

«Мы впервые могли продемонстрировать присутствие особых стволовых клеток в стенках сосудов человека, которые обладают способностью в условиях культуры развиваться в ритмично сокращающиеся кардиомиоциты» — объясняет профессор Ergün. Ученые смогли также продемонстрировать, что эти “внутрисосудистые стеночные стволовые клетки” существуют в коронарных сосудах, и в действительности активируются при возникновении сердечного приступа.

Проблема существует до сих пор, так как во время инфаркта у данных стволовых клеток нет возможности дифференцироваться в клетки миокарда. «Наше иследования показали, что эти клетки заключены в соединительную ткань рубца, и таким образом лишены возможности трансформироваться в кардиомиоциты» — объясняют ученые. Тем не менее результаты исследований обнадеживают. «Наши результаты предоставляют новый подход к лечению в том плане, что возможно терапевтически влиять на окружение стволовых клеток в стенках сосудов сердца, таким образом стимулируя их регенерировать пораженную часть миокарда» — говорит доктор Ergün.

Новый подход к терапии

Врачи убеждены, если своевременный и терапевтически эффективный контроль этих недавно открытых стволовых клеток коронарных сосудов действительно возможен, то это позволило бы совершить огромный шаг вперед в лечении сердечно-сосудистых заболеваний. Наряду с этим представляется возможность значительно снизить стоимость лечения данной патологии. Однако полученные результаты все ещё ограничены исследованиями в лабораториях и опытами на экспериментальных животных. До того как их применять для лечения людей, требуются дальнейшее проведение научных работ, чтобы глубже понять полученные данные

Регенерация миокарда: что выбрать — клеточную терапию или лекарственные препараты?

Исследователи бьются над тем, как стимулировать регенерацию миокарда, дабы заместить соединительнотканный постинфарктный рубец.

Двадцать лет назад Пьеро Анверса, кардиолог и исследователь стволовых клеток, опубликовал интересную статью. Видный исследователь в Нью-Йоркском медицинском колледже в Валгалле, в экспериментах на мышах он продемонстрировал, что, вопреки распространенному мнению, регенерация миокарда после [ишемического] повреждения возможна с помощью стволовых клеток из костного мозга [1]. В ходе инфаркта миокарда, широкой общественности известного как «сердечный приступ», развивается гипоксия клеток сердечной мышцы, что приводит к их гибели. В ответ на месте погибшего участка мышечной ткани развивается рубцовая. Однако восстановленные таким образом области сердца не способны перекачивать кровь как прежде. Со временем может развиться сердечная недостаточность, особенно в случае новых инфарктов. Практическое значение работы Анверсы было очевидно: благодаря своей способности к неограниченному росту и пролиферации стволовые клетки могли восстановить повреждения, вызванные инфарктом, и тем самым предотвратить сердечную недостаточность.

Но другие исследования, в ходе которых ученые пытались повторить эти результаты на мышах, оказались безуспешными. В конце концов начали появляться обвинения в фальсификации результатов, и Анверса, который с тех пор стал сотрудником Гарвардской медицинской школы, Бригама и Женской больницы в Бостоне (штат Массачусетс), в 2015 году был вынужден оставить занимаемые им должности. Два года спустя Бригам и Женская больница заплатили правительству США 10 миллионов долларов для урегулирования обвинений в том, что Анверса с соавт. сфальсифицировали данные для подачи заявки на федеральное финансирование дальнейших разработок. А в ходе расследования, проведенного в Гарварде в 2018 году, было принято решение отозвать 31 статью Анверсы.

Майкл Шнайдер, кардиолог и исследователь из Имперского колледжа в Лондоне, заявил, что этот процесс приглушил энтузиазм, который когда-то окружал исследования в области терапии стволовыми клетками. Он признает, что противоречия, явное несоблюдение основных принципов научной работы и доказательства против заявлений Анверсы бросили тень на эту область в целом. Это прискорбно, потому что множество других ученых, занимающихся стволовыми клетками, проводят исследования в рамках закона.

Тем временем возникла еще одна стратегия регенерации миокарда, вдохновленная животными, которые, в отличие от людей, обладают способностью восстановления сердечной мышцы после ишемического повреждения. Исследователи стремятся узнать больше о молекулах, синтезируемых в миокарде в ходе ауторегенерации у рыбок данио (Danio rerio). Также изучается, могут ли инъекционные препараты на основе тех же веществ привести к сходным результатам при репарации миокарда человека.
Теперь вопрос заключается в том, что окажется эффективнее для регенерации сердца: стволовые клетки, препараты на основе низкомолекулярных соединений или же комбинация этих двух подходов.

Эволюция взглядов

После скандала с Анверсой произошел важный сдвиг парадигмы в области стволовых клеток. Согласно результатам литературного обзора в 2019 году, в ходе новейших исследований выясняется, что при терапии стволовыми клетками преимущественное влияние оказывют секретируемые ими вещества, а не пролиферация самих клеток [2]. Как отмечает Джавария Техзиб, автор обзора, специалист по внутренним болезням из Медицинского центра Олбани (Нью-Йорк), спустя много лет работы удалось обнаружить, что эффект замены поврежденных клеток [стволовыми] незначителен. Она поясняет, что истинная регенерация происходит тогда, когда клетки выделяют факторы роста, которые, в свою очередь, влияют на восстановление сердечной мышцы, уменьшая воспаление и стимулируя образование новых кардиомиоцитов.

Это означает, что методы лечения стволовыми клетками имеют некоторое сходство со стратегией введения лекарственных препаратов — по сути, все сводится к молекулам, секретируемым стволовыми клетками, что аналогично прямой инъекции лекарственных средств. Однако существуют и важные отличия.

Во-первых, часть преимуществ терапии стволовыми клетками по-прежнему связана с клеточной пролиферацией, даже если этот аспект относительно мал. Во-вторых, контроль того, какие вещества вырабатываются стволовыми клетками после их введения практически невозможен, тогда как конкретные лекарственные соединения можно вводить в четко заданных дозах. И, наконец, способы введения, доставки и сферы воздействия определенных лекарственных средств и стволовых клеток значительно разнятся.

В исследовании, опубликованном в 2020 году, была продемонстрирована важность молекул, вырабатываемых стволовыми клетками. Целью исследования был поиск структурной целостности белков в миокарде у мыши с инфарктом [3]. Сердечный приступ был смоделирован (искусственно вызван) у восьми взрослых мышей. Четыре недели спустя половине грызунов ученые ввели стволовые клетки. Еще через четыре недели животных вскрыли, и после аутопсии образцы миокарда мышей были промыты серией буферных растворов и химических реагентов для экстракции белков. Затем был произведен анализ этих белков. Как заявляет Андре Тержич, ведущий автор исследования, по сути было проведено массивное сканирование каждого белка в сердце. Авторам удалось идентифицировать почти 4000 белков и показать, что в ходе инфаркта структура почти 450 из них искажается. Но благодаря терапии стволовыми клетками число белков с нарушенной структурой снизилось до 283.

Тержич, директор Центра регенеративной медицины Клиники Мейо в Рочестере, штат Миннесота, утверждает, что белки — это те важные компоненты, благодаря которым сердце работает в правильном режиме, однако при болезни они повреждаются. Вероятно, способность этих стволовых клеток секретировать вещества для регенерации является ключевым элементом наблюдаемого авторами процесса.

Пусть все вышесказанное и выглядит обнадеживающе, некоторые аспекты терапии стволовыми клетками необходимо усовершенствовать. В исследовании 2018 года Murry с соавт. провели трансплантацию порядка 750 миллионов кардиомиоцитов макакам, перенесшим тяжелый инфаркт [4]. Через месяц после операции сердце обезьян было способно перекачивать на 10,6 % больший объем крови, при этом в группе контроля этот показатель составил 2,5 %. Это преимущество у прооперированных животных сохранялось даже спустя три месяца, однако у одной из пяти обезьян, получивших лечение стволовыми клетками, наблюдалась аритмия. В исследованиях на мелких животных ранее не выявляли развития аритмии, однако то, что она представляет собой постинфарктное осложнение, известно давно. Тем не менее, исследователи расценили аритмию как потенциальный побочный эффект введения стволовых клеток. По словам Murry, хотя данное обстоятельство и не является статистически значимым, ученые рассматривают его как осложнение лечения.

Рыбки данио (Danio rerio) обладают способностью к регенерации сердечной мышечной ткани после ее повреждения

Помимо соображений безопасности, терапия стволовыми клетками также связана с аспектами практического применения. «Представьте себе целую лабораторию со всеми этими культуральными флаконами, в которых нужно выращивать миллионы клеток только для того, чтобы создать одну дозу» — говорит Тержич. В случае десятков тысяч пациентов необходимы огромные усилия для быстрого и эффективного лечения. Время в таких условиях крайне ограничено, и нет возможности создавать значительные резервы стволовых клеток.

Низкомолекулярные препараты и рыбы

Существует по крайней мере одна причина, заставляющая людей искать иные способы регенерации сердца. Как заявляет Пол Райли, специалист в области физиологии сердечно-сосудистой системы из Оксфордского университета (Великобритания), в терапию стволовыми клетками было вложено очень много времени и денег, что дало пациентам ложные надежды, однако до сих пор результаты клинических испытаний оказывались в значительной степени неутешительными. Райли изучает вопрос, может ли введение определенных молекул в сердце оказаться более эффективным.

Сердце человека не может регенерировать самостоятельно, однако другие животные на это способны. Например, рыбка данио может восстановить свое сердце даже после того, как было удалено 20 % массы миокарда. У новорожденных мышей также отмечена способность регенерировать ткань миокарда. Наблюдение за молекулярными сигнальными путями, протекающими в организме этих животных, может подтолкнуть к воссозданию аналогичных процессов у людей.

Согласно результатам исследований, после инфаркта миокарда у рыбок данио эпикард — оболочка, окружающая сердечную мышцу, — вырабатывает молекулярные сигналы, которые способствуют запуску регенерации мышечных клеток [5]. Существует надежда, что управление молекулярными процессами в эпикарде человека может привести к сходным терапевтическим результатам. Райли заявляет, что, вероятно, существуют способы для непосредственного воздействия на клетки в сердце посредством небольших молекул или лекарств, которые могут стимулировать регенерацию.

Еще в 2011 году Райли с соавт. показали, что это теоретически возможно [6]. В течение недели перед искусственной индукцией инфаркта ученые ежедневно вводили взрослым мышам белок, называемый тимозином β4, и обнаружили, что у этих мышей наблюдался рост новой сердечной мышечной ткани. Это открывает новые возможности превентивной терапии. Если у человека высокий риск сердечного приступа, то патогенетически вполне обоснованно использовать подготовительные или профилактические средства, которые поспособствует предотвращению развития сердечно-сосудистой катастрофы. Однако этот подход — не панацея и не способ восстановления миокарда после повреждения, поиск которого ведут ученые. С тех пор в своих иных исследованиях Райли с соавт. продемонстрировали, что помимо тимозина β4 в стимуляции эпикарда в ходе регенерации сердца также задействованы и другие белки [7].

Легче увидеть, как лекарственный путь открывает более четкие перспективы практического применения, однако в основе данного подхода лежит новая гипотеза, которая еще не была проверена в клинических испытаниях на людях. По словам Техжиба, все усилия исследователей по-прежнему сосредоточены на работах со стволовыми клетками.

Может возникнуть ситуация, когда терапия стволовыми клетками вначале получит одобрение на законодательном уровне, а потом более классические фармакотерапевтические способы вытеснят ее — после того, как в ходе экспериментов будет подтверждена их эффективность. Техжиб утверждает, что когда удастся окончательно доказать эффективность подхода, основанного на белках [в т.ч. рыбок данио и мышей], тогда можно будет утверждать, что стволовые клетки ушли в прошлое. Но до тех пор исследователи должны продолжать использовать их потенциал.

Murry разделяет это мнение, заявляя, что результаты исследований сторонников как одного, так и другого подхода могут в конечном итоге послужить во благо друг друга. По его словам, необходимо поддерживать открытую конкуренцию идей, а открытая публикация результатов позволит разобраться в ситуации. Это лучше, чем просто заявлять о превосходстве какой-то одной избранной гипотезы.

«В терапию стволовыми клетками было вложено очень много времени и денег, что дало пациентам ложные надежды».

Читайте также: