Российские ученые впервые измерили время зарождения электрического контакта между клетками сердца
Исследователи из Института биофизики будущего МФТИ совместно с коллегами из НМИЦ им. ак. Е.Н. Мешалкина и НМИЦ ТИО им. ак. В.И. Шумакова впервые в мире напрямую измерили и количественно оценили процесс формирования самых первых электрических контактов между пересаженными кардиомиоцитами и тканью сердца-реципиента. Это фундаментальное открытие проливает свет на критически важный и ранее не изученный этап клеточной терапии сердца, напрямую влияющий на ее эффективность и безопасность.
Сердечно-сосудистые заболевания остаются одной из основных причин смертности в мире. Дегенерация миокарда до сих представляет собой серьезную проблему для медицины. Одним из перспективных направлений является трансплантация кардиомиоцитов — клеток сердечной мышцы — для восстановления поврежденных участков миокарда после инфаркта. Однако их клиническое применение по-прежнему ограничено недостаточной эффективностью приживления, высокими потерями при доставке клеток и осложнениями, возникающими из-за нарушения электромеханической интеграции.
Проблема состоит и в том, что даже если пересаженные клетки приживаются, они далеко не всегда синхронизируют свою работу с окружающей тканью. Нескоординированные сокращения новых клеток могут стать источником опасных аритмий, сводя к нулю терапевтический эффект. Таким образом, хороший результат требует не только выживания клеток и их интеграции, но и установления функциональной электромеханической связи с тканью реципиента. Для решения этой проблемы необходимо знать, каким образом в первые минуты после трансплантации между новыми клетками и «хозяевами» начинают устанавливаться электрические мосты. До сих пор у науки не было инструментов, чтобы зафиксировать и измерить этот процесс в реальном времени.
Авторы исследования ответили на этот вопрос, создав функциональную и минималистичную экспериментальную модель.
«Наше исследование посвящено тому, как клетки сердца образуют между собой контакты. Это весьма острый вопрос для ученых, поскольку сейчас актуальны исследования в области тканевой инженерии сердца, например терапия инфарктов или разработка биологических кардиостимуляторов, которые требуют четкого понимания процесса взаимодействия новых клеток кардиостимуляторов с собственными кардиомиоцитами пациентов. Для ответа на этот вопрос мы разработали модель, которая позволяет исследовать то, как образуются контакты на крысиных клетках сердца», —рассказал один из участников исследования, инженер лаборатории экспериментальной и клеточной медицины МФТИ Виталий Джабраилов.
В ходе исследования ученые вырастили сплошной слой кардиомиоцитов, имитирующий здоровую ткань сердца-реципиента. Затем они поместили на этот «газон» отдельные клетки, предварительно «усадив» их на микроскопические волокна из биосовместимого полимера — поликапролактона. Эти волокна, натянутые на рамку из инертного силикона PDMS, играли роль стабилизирующих лесов, не позволяющих клетке свободно плавать и дающих ей возможность подготовиться к установлению контактов.
«Мы хотели воспроизвести в чистом виде самый ранний этап интеграции, когда пересаженная клетка только-только касается ткани-хозяина. Наши волокна — не имитация сложного внеклеточного матрикса, а скорее простая механическая опора, катализирующая внутреннюю способность клетки к самоорганизации. Это как надежная страховочная веревка для альпиниста», — пояснила один из разработчиков, заведующая лабораторией экспериментальной и клеточной медицины МФТИ Валерия Цвелая.
Чтобы увидеть, как рождается электрическая связь, ученые применили метод оптического картирования. Клетки обработали флуоресцентным красителем, чувствительным к ионам кальция, концентрация которых резко возрастает при прохождении электрического импульса. Таким образом, распространение волны возбуждения по монослою и ее переход на новую клетку можно было наблюдать в виде вспышек свечения под микроскопом в режиме реального времени. Огромный массив данных обрабатывался с помощью нейронной сети SUPPORT, которая эффективно отсеивала шумы и повышала четкость сигнала, что было критически важно для точных измерений.
Результаты исследования дали точный количественный ответ на главный вопрос — как в первые часы зарождающиеся межклеточные связи проводят электрический импульс. Более того, была измерена задержка в передаче сигнала: волне возбуждения требовалось в среднем на 290 мс больше, чтобы «перепрыгнуть» на клетку-трансплантат.
«Таким образом, наша работа представляет собой первое прямое измерение функционального дефицита в первые минуты и часы интеграции трансплантата. Это принципиально новая информация для моделирования рисков аритмий при клеточной терапии. Теперь мы знаем, что есть окно в несколько часов, когда пересаженная ткань электрически уязвима, и эту уязвимость можно и нужно учитывать», — подчеркнула Валерия Цвелая.
Помимо полученных выводов, новизна исследования заключалась и в самом подходе. Ученые показали, что для запуска сложнейшего биологического процесса — установления электрического диалога между клетками — может быть достаточно простой синтетической полимерной подложки, а не воссоздания всей сложности природного клеточного окружения. Простые инертные полимерные волокна могут выступать в качестве каталитической основы для этого фундаментального биологического процесса, предлагая эффективную стратегию для контроля интеграции искусственных тканей.
Исследование выполнено при поддержке гранта РНФ.