Ученые выращивают маленькие сердца, чтобы узнать, какие лекарства повышают риск врожденных дефектов.

Ученые выращивают маленькие сердца, чтобы узнать, какие лекарства повышают риск врожденных дефектов.

1 мин


Данный материал является переводом оригинальной статьи, размещённой на сайте The Conversation.

Как сформировалось ваше сердце? Что вызвало ваше первое сердцебиение? До сих пор механизмы развития сердца человека остаются неясными.

Исследователи знают, что сердце — первый полностью функционирующий орган у растущего человеческого эмбриона. Оно начинается с простой трубки, которая начинает перекачивать кровь к четвёртой неделе беременности. А к девятой неделе сердце уже полностью сформировано. Сердце критически важно для раннего развития, так как оно снабжает развивающийся плод необходимыми питательными веществами.

Ученые выращивают маленькие сердца, чтобы узнать, какие лекарства повышают риск врожденных дефектов.
Органоиды, выращенные из стволовых клеток, могут воспроизводить детали биологии человеческого сердца. Изображение: Yonatan R. Lewis-Israeli et al. 2021/Nature Communications, CC BY-SA 4.0 DEED

Но из-за раннего формирования сердце долгое время подвергается воздействию веществ, с которыми может контактировать беременная женщина, таких как лекарства или загрязнители. Это может быть одной из основных причин, почему врождённый порок сердца является самым распространённым типом врождённых дефектов у людей, встречаясь более чем у 1 из 100 новорожденных по всему миру.

Традиционно для изучения развития сердца и заболеваний учёные использовали модели животных и клеток. Однако исследователям до сих пор не удавалось разработать лекарство от врождённого порока сердца отчасти потому, что эти модели не способны отразить сложность человеческого сердца. Из-за этических ограничений об использовании человеческих эмбрионов для этих исследований не может быть и речи.

Чтобы помочь исследователям изучить развитие сердца и осложнения во время беременности, наша команда биомедицинских инженеров и учёных-кардиологов провела последние несколько лет, пытаясь создать нечто, максимально приближённое к настоящему: миниатюрные человеческие сердца в лаборатории.

Органоиды человеческого сердца

Органоиды — это сложные трёхмерные клеточные структуры, которые воспроизводят важные аспекты структуры и функции определённого органа вашего тела. И хотя органоиды не являются полностью синтетическими функционирующими органами (пока), они по-прежнему обладают огромной способностью имитировать ключевые аспекты физиологии и болезней в лаборатории.

Мы создали органоиды сердца, используя тип клеток, называемый плюрипотентными стволовыми клетками. И хотя использование этих клеток в исследованиях раньше вызывало споры, поскольку изначально они были получены из человеческих эмбрионов, сейчас это уже не вызывает беспокойства, поскольку их можно получить от любого взрослого человека. Плюрипотентные стволовые клетки обладают потенциалом превращаться в любой тип клеток в организме. Это означает, что клетки практически из любой части вашего тела — обычно из крови или кожи — могут быть преобразованы в собственные стволовые клетки для выращивания вашего собственного мини-сердца.

Ученые выращивают маленькие сердца, чтобы узнать, какие лекарства повышают риск врожденных дефектов.
Эта иллюстрация показывает развитие сердечного органоида в течение 15 дней. В верхнем ряду представлены изображения, полученные с помощью светового микроскопа, в то время как в двух нижних рядах показаны два определенных белка, выделенные красным и синим цветом. Изображение: Yonatan R. Lewis-Israeli et al. 2021/Nature Communications, CC BY-SA 4.0 DEED

Управляя способностью плюрипотентных стволовых клеток становиться клетками любого типа в организме, мы заставили эти клетки стать клетками сердца. Клетки смогли самоорганизоваться, воспроизводя основные этапы развития человеческого сердца во время беременности. Органоиды нашего сердца содержат кровеносные сосуды и все типы клеток, встречающиеся в человеческом сердце, такие как кардиомиоциты и клетки водителя ритма, что даёт им преимущество перед двумерными клеточными моделями. Более того, электрофизиология и биоэнергетика этих сердечных органоидов очень похожи на человеческие эмбриональные сердца, в отличие от животных моделей.

Наши сердечные органоиды бьются, как крошечное детское сердце, при этом они меньше рисового зёрнышка.

Беременность и сердце плода

Одна из областей, которую мы исследуем с помощью наших сердечных органоидов, — это здоровье сердца матери и плода. Материнские факторы, такие как диабет, гипертония или даже депрессия, могут увеличить риск сердечно-сосудистых заболеваний у новорожденных. Изучение состояний, повышающих риск врождённых пороков сердца, может предотвратить и снизить заболеваемость сердечно-сосудистыми заболеваниями во всём мире.

Мы можем имитировать эту материнскую среду и смоделировать, как она влияет на развитие сердца плода, с помощью сердечных органоидов. Например, мы использовали органоиды сердца, чтобы показать, что диабет, очень распространённое заболевание, увеличивает риск сердечных заболеваний у эмбрионов. По сравнению с органоидами сердца, созданными в здоровых условиях, в мини-сердцах, подвергшихся воздействию диабетических состояний, развивались аномалии сердца, подобные таковым у человеческих плодов и новорожденных с диабетической кардиомиопатией.

Наше исследование показало, что связанные с диабетом аномалии развития сердца, вероятно, вызваны дисбалансом жирных кислот омега-3, строительных блоков клеточных мембран и сигнальных молекул. Однако пищевые добавки жирных кислот омега-3 могут частично восстановить этот дисбаланс и предотвратить врождённые пороки сердца, вызванные диабетом.

Ученые выращивают маленькие сердца, чтобы узнать, какие лекарства повышают риск врожденных дефектов.
Некоторые лекарства могут увеличить риск развития врожденных пороков сердца. Изображение: Pexels/Anna Shvets

Безопасность препарата во время беременности

Лекарства, которые принимают беременные, могут иметь серьёзные последствия для здоровья как родителя, так и плода. Лекарства, разрешённые к использованию во время беременности, не всегда безопасны, поскольку проведение адекватных испытаний обычно затруднено. Этические соображения ограничивают работу с биологическим материалом от людей, поэтому исследователи вынуждены использовать животные модели, которые не в состоянии достаточно точно воспроизвести физиологию человека.

Тестирование лекарств на органоидах сердца человека позволяет учёным лучше исследовать и прогнозировать потенциальные вредные последствия во время беременности. Одним из примеров является ондансетрон (зофран), препарат, который обычно назначают для предотвращения тошноты и рвоты во время беременности. И хотя его связывают с повышенным риском врожденных пороков сердца, до сих пор не было подтверждено, действительно ли он вызывает эти заболевания.

Мы показали, что сердечные органоиды, подвергшиеся воздействию ондансетрона, имели нарушенное развитие желудочковых клеток и ухудшенную функцию, аналогичную той, что наблюдается у новорожденных, подвергшихся воздействию ондансетрона. Наши результаты предоставляют данные, которые могут помочь обновить клинические рекомендации по использованию этого препарата.

Ещё один пример касается использования во время беременности антидепрессантов, которые связаны с повышенным риском врождённых пороков сердца. Селективные ингибиторы обратного захвата серотонина (СИОЗС), наиболее часто назначаемые антидепрессанты для беременных, работают за счёт увеличения доступности серотонина в организме. Серотонин является важной молекулой для развития сердца. Материнский серотонин, вместе с антидепрессантами, легко проникает в эмбрион и изменяет уровень серотонина в развивающемся сердце.

В будущем мы планируем подвергнуть органоиды сердца воздействию антидепрессантов и изучить их влияние на частоту врождённых пороков сердца. Результаты таких исследований органоидов сердца человека также могут служить основой для рекомендаций по замене или перепрофилированию лекарств.

Сердечные органоиды могут помочь учёным более точно изучить, как формируется человеческое сердце и как в нём развиваются заболевания. В сфере медицинских инноваций мы считаем, что органоиды человеческого сердца, выращенные из стволовых клеток, являются прекрасным обещанием более здорового будущего.


Понравилось? Поделитесь с друзьями!

Комментарии

- комментариев

Включить уведомления Да Спасибо, не надо