Живые кардиостимуляторы
Клеточный мотор
Диана Хомякова, «Наука в Сибири»
Исследователи из Национального медицинского исследовательского центра им. Е.Н. Мешалкина, ФИЦ Институт цитологии и генетики СО РАН и Московского физико-технического института разрабатывают биологический кардиостимулятор для восстановления ритма сердца. Он будет состоять из клеток организма самого пациента и сможет заменить искусственный прибор.
«Наше сердце четырехкамерное, и внутри него есть две небольшие «батарейки» – синусовый и предсердно-желудочковый узлы. Импульс возникает в первом, возбуждает второй и распространяется на другие отделы сердца. В норме биологическая вариация сердечного ритма составляет от 60 до 90 ударов в минуту. Однако у некоторых людей эти «батарейки» изнашиваются. У кого-то с возрастом, у кого-то – из-за аутоиммунных реакций, у кого-то прошел инфекционный процесс и поразил структуры сердца. Причин много, но следствие одно – синусовый и предсердно-желудочковый узлы поражаются, ввиду чего сердце начинает биться очень медленно, со скоростью до 20–30 ударов в минуту, что напрямую угрожает жизни», – рассказывает начальник отдела разработки, координации и внедрения научной деятельности НМИЦ им. Е.Н. Мешалкина Артём Григорьевич Стрельников.
Для того чтобы восстановить сердечный ритм, сегодня пациенту имплантируют кардиостимулятор – специальную искусственную батарейку, которая вставляется в грудную клетку. В вену, предсердие и желудочек вкручиваются электроды, и прибор начинает регулярно подавать электрический импульс и навязывать сердцу ритм 60–90 ударов в минуту.
Таким образом проблема решается, но пациент на всю жизнь остается зависимым от батарейки и электродов. Металлический предмет постоянно находится в грудной клетке, он может инфицироваться, вызывать пролежни и даже вылезти наружу. Кроме того, у этого прибора не очень длительный срок службы. Через каждые четыре-пять лет приходится разрезать мягкие ткани груди и менять батарейку. Электроды тоже изнашиваются – то перетираются, то ломаются. Их приходится вырезать, заменять, также они могут заносить в сердце инфекцию. Альтернатив у таких пациентов пока нет.
«В мире давно витает идея о создании биологического кардиостимулятора. Мы поставили перед собой задачу: продвинуться на шаг вперед и разработать систему, которая позволяла бы сделать альтернативу искусственным электрическим кардиостимуляторам. Идея – внедрить в сердце его же биологические клетки, которые будут генерировать электрические импульсы», – говорит Артём Стрельников.
Такие клетки называются пейсмейкерными. В норме они присутствуют в сердце и отвечают за генерацию ритма сердечных сокращений, но из-за различных патологий поражаются и перестают выполнять свои функции.
«Концепция нашего проекта заключается в том, чтобы сделать аналог этих клеток либо разработать технологию получения их в пробирке и затем имплантировать обратно в тело пациента», – рассказывает заведующий лабораторией экспериментальной хирургии и морфологии НМИЦ им. Е.Н. Мешалкина кандидат биологических наук Давид Сергеевич Сергеевичев.
Для получения пейсмейкеров используется технология плюрипотентных клеток, которая разрабатывается в лаборатории эпигенетики развития ФИЦ Институт цитологии и генетики СО РАН под руководством доктора биологических наук Сурена Минасовича Закияна.
«Мы занимаемся клеточной частью, получаем пейсмейкерные клетки из индуцированных плюрипотентных стволовых, а также из просто стволовых клеток. В результате наших манипуляций в основном выделяются сократительные кардиомиоциты – грубо говоря, те клетки, из которых состоят мышцы миокарда, они не все пейсмейкеры. Сейчас перед нами стоит задача: из общей популяции кардиомиоцитов получать именно водителей ритма, увеличить их долю в протоколе», – рассказывает научный сотрудник лаборатории эпигенетики ФИЦ ИЦиГ СО РАН кандидат биологических наук Софья Викторовна Павлова.
Характеристика кардиомиоцитов (25 день дифференцировки) методом иммуноферментного окрашивания к маркеру кардиомиоцитов TnT (красный) клеток-предшественников (Nkx2.5), делящихся клеток (Ki67), вентрикулярных (MLS2) и пейсмейкеров (HCN4).
Однако создать пейсмейкерные клетки – мало. Дело в том, что если их просто поместить в организм, они не приживутся – так как не образуют друг с другом связи, не взаимодействуют с соседними клетками, у них нет опор. Преодолеть этот барьер помогают сотрудники лаборатории возбудимых систем Московского физико-технического института под руководством профессора Константина Игоревича Агладзе.
«Мы проверяем электрофизиологические характеристики полученных клеток и подбираем к ним подложки, которые бы максимально подходили для внедрения в биообъект и соответствовали реальному внеклеточному матриксу. Они могут быть как биодеградируемыми, так и представлять собой матрикс, способный приживаться в организме. Сейчас мы находимся на стадии выбора», – комментирует инженер лаборатории Валерия Александровна Цвелая.
В НМИЦ им. Е.Н. Мешалкина есть технологии, позволяющие имплантировать пейсмейкерные клетки с подложками без разреза грудной клетки. Через прокол в бедре к сердцу проводится длинная трубочка электрода, на кончике которого находится иголка. С помощью этого приспособления врач вкалывает клетки в целевые зоны, как шприцем. Все действия, производящиеся внутри организма, контролируется через цифровую 3D-систему навигации. Кроме того, есть способы прицельно контролировать, насколько эффективно работают нововведенные клетки.
«Сейчас трансплантация осуществляется на уровне органов: пересаживают печень, сердце, а заменять более тонкие, клеточные структуры еще не научились. У трансплантации сердца есть свои проблемы: крайне низкая выживаемость, большой процент отторжения, пересаженный орган в конечном итоге всё равно поражается. Здесь же можно «чинить» собственное сердце пациента. Мы только-только подходим к технологиям, которые позволят нам это делать, – говорит Артём Стрельников. – У нас параллельно ведется работа трех групп, единая рабочая команда регулярно контактирует друг с другом. Этапы идут одновременно: in vitro, на крупных позвоночных животных и на мелких позвоночных. Мы отрабатываем хирургические методы трансплантации пейсмейкерных клеток, нарабатываем сами клетки (смотрим, насколько длительно они будут генерировать сигнал, насколько они контролируемы) и разрабатываем способы, как эти клетки лучше вырастить, чтобы они подходили для наших хирургических манипуляций».
На сегодняшний день основные методы хирургической трансплантации уже созданы, первичные клетки с электрической активностью получены, подложки сформированы – доказано, что нужные клетки там растут, взаимодействуют друг с другом и генерируют электрические импульсы. Следующий этап: первичная имплантация пейсмейкерных клеток лабораторным свиньям. Необходимо посмотреть, насколько длительно они будут функционировать в крупном организме и насколько эта технология применима к медицине.
«Экспериментальный опыт на животных очень важен, поскольку при трансляции теоретических исследований в реальные условия могут возникнуть большие проблемы, – рассказывает Давид Сергеевичев. – Сейчас у нас задача состоит в том, чтобы посмотреть, как наши биопейсмейкеры, которые работают in vitro, будут себя вести при интеграции в проводящую систему сердца. Оно постоянно сокращается, и нужно разработать такую технологию имплантации, чтобы мы могли максимально точно попасть в нужную зону, не нарушив нормальную физиологию сердечного ритма. И это на самом деле очень сложно. В нашей экспериментальной операционной мы поставили оборудование, подобное тому, что есть в настоящих операционных. Буквально в ближайшие несколько недель мы планируем сделать эту имплантацию и посмотреть, что у нас получается, какие еще вопросы необходимо решить».
«Мы подводим эту технологию к тому, чтобы сделать ее максимально пригодной для дальнейшего практического применения, реализуем так называемую трансляционную цепочку. Основная проблема в нынешних фундаментальных исследованиях заключается в том, что многие из них непригодны для дальнейшего практического применения. Например, можно разработать какие-то клетки, которые будут обладать хорошей электрической активностью, но будут чужеродными организму либо начнут приводить к онкологическим новообразованиям. Сегодня мы уже на стадии фундаментального исследования формируем базу для прикладного, которое имело бы потенциал для внедрения в клиническую практику», – говорит Артём Стрельников.
Если эксперимент окажется успешным, он откроет путь к доклиническим и клиническим испытаниям. К последним ученые рассчитывают перейти в ближайшие пять лет, хотя и не обещают, что уложатся в эти сроки.
Работа выполняется при финансовой поддержке гранта РНФ № 17-75-30009.
Портал «Вечная молодость» http://vechnayamolodost.ru