Состав для «перепрограммирования» пораженной сердечной ткани после инфаркта создали в МФТИ

Экспериментальный состав, позволяющий восстанавливать электрическую проводимость пострадавшей сердечной ткани после инфаркта, представили исследователи из Московского физико-технического института. Изобретение призвано снизить смертность пациентов и ускорить их реабилитацию. Подробнее о технологии корреспонденту «Научной России» рассказала автор работы, младший научный сотрудник лаборатории экспериментальной и клеточной медицины Института биофизики будущего МФТИ Елена Александровна Турчанинова.

«Используемый нами подход развивался достаточно долго. Сердечно-сосудистые заболевания входят в число основных причин смертности и самых распространенных медицинских проблем не только в России, но и во всем мире, — напомнила Е.А. Турчанинова. — Поэтому ученые разных стран бьются над вопросами улучшения сердечно-сосудистой функции после различных повреждений. Например, при инфаркте миокарда погибают кардиомиоциты — нормальные клетки сократительной ткани сердца, способные проводить волны [электрического] возбуждения. В дальнейшем их количество не восполняется, и спустя некоторое время на их месте образуется фиброзная соединительная ткань, напоминающая шрам или рубец. Она не проводит волны возбуждения, что создает преграду для их распространения. Можно провести параллель с рекой, которую перекрыли дамбой: на пути у потока воды возникло серьезное препятствие. Сейчас подобные состояния не лечатся и очень сильно ухудшают жизнь пациента. <…>

Многие ученые рассматривали в качестве решения клеточную терапию, включая подсадку на пораженное место стволовых клеток или дифференцированных из них клеток сердечной ткани. Но этот подход сопряжен со многими рисками, включая образование опухолей».

На новый уровень борьбу с проблемой вывело прорывное исследование американского ученого Дипака Шриваставы, опубликованное в 2010 г.

«Он сделал то, что многие годы считалось невозможным: ему удалось “перепрограммировать” клетки в терминальной стадии развития (достигшие пика роста) в другой тип или фенотип клеток без прохождения эмбриональной стадии клеточного развития (как это происходит в случае с терапией стволовыми клетками. — Примеч. корр.). Благодаря этому превращение не могло спровоцировать формирование опухолей, — объяснила Е.А. Турчанинова. — Однако он сделал это с помощью вирусных векторов — то есть использовал вирусы, чтобы доставлять в клетку определенный генетический материал и тем самым стимулировать ее преобразование. Этот метод считается довольно перспективным, но тем не менее достаточно спорным для применения в клинической практике из-за вопросов безопасности. Но главное — ученые поняли, что изменить тип или фенотип клетки без прохождения эмбриональной стадии развития возможно, и начали искать другие методы, посредством которых это можно осуществить, — например, физические или химические параметры, способные повлиять на преображение клеток».

Новую альтернативу предложили ученые из Института биофизики будущего МФТИ. Они создали состав, превращающий клетки соединительной ткани — фибробласты — в подобие кардиомиоцитов. В результате внутри рубцовой ткани восстанавливается электрическая проводимость. 

«Мы решили, что лучше всего повлиять на клетку химическим путем, то есть создать в области рубца такие условия, в которых клетки сами начнут меняться. Этот метод позволяет репрограммировать меньше клеток, но достаточно для того, чтобы улучшить качество жизни пациента, — отметила Е.А. Турчанинова. — В результате преобразования небольшого количества клеток в несократительной области создаются новые проводящие пути.

Этим методом пользуются ученые из разных стран мира, но все применяют разные подходы. Обычно экспериментальные “коктейли” для решения подобных задач включают очень много веществ. Мы же стремились минимизировать количество компонентов в нашем составе, чтобы в будущем он был максимально доступен для клинического использования».

Электрическое возбуждение начинает успешно распространяться по всей ткани при появлении в рубце всего 20–30% проводящих клеток.

«Многие ученые пытаются добиться стопроцентной эффективности трансдифференцировки, но это практически невозможно. Поэтому мы решили, что проще отказаться от этой идеи. Чтобы сформировать новые проводящие пути в области рубца, достаточно репрограммировать около 30% клеток. При этом качество жизни пациента значительно улучшится, — заметила Е.А. Турчанинова. — Стоит добавить, что если наша терапия окажется недостаточно эффективной на этапе тестирования на животных или позднее, мы планируем совместить ее с терапией клетками самого пациента, выращенными в лабораторных условиях».

Экспериментальный состав включает сигнальные молекулы и белки, играющие важную роль в естественных биологических процессах, — CHIR99021, Activin A, IWP2 и BMP4. Благодаря минимуму действующих веществ у нового “коктейля” хорошо прогнозируемая фармакокинетика, его проще тестировать на безопасность, а в дальнейшем производство такого препарата будет удобнее масштабировать.

«Начиная с этапа, когда наш организм представляет собой единственную клетку и только начинает формироваться, эти четыре вещества участвуют в процессе развития наших органов и тканей, — сказала Е.А. Турчанинова. — В первую очередь, мы вводим в организм малую молекулу, которая активирует сигнальный путь Wnt, играющий огромную роль в кардиогенезе. Затем мы добавляем сигнальные факторы. Они всегда присутствуют в организме человека, то есть мы просто увеличиваем их местную концентрацию. Благодаря этому клетки, уже вышедшие из исходного состояния, начинают развиваться в сторону кардиомиоцитов. Затем мы используем еще одну сигнальную молекулу, чтобы блокировать ранее активированный сигнальный путь, и ждем завершения процесса и созревания нового фенотипа клетки».

Состав уже испытали на клетках трех типов, в том числе на реальных фибробластах предсердий человека, извлеченных во время операций. После «перепрограммирования» от 56% до 83% бывших рубцовых клеток начали производить альфа-актинин — белок, специфичный для сердечной ткани. Кроме того, у них появилась способность генерировать такие же потенциалы действия, как у кардиомиоцитов: внутри усовершенствованных клеток были зафиксированы мощные (с биологической точки зрения) натриевые токи с силой до 4 тыс. пикоампер.

На следующем этапе состав протестировали на крысах с моделью инфаркта. Внутривенное введение препарата не привело к токсическим эффектам и увеличило площадь проводящей зоны сердечной мышцы с 71% до 84%. А дополнительные исследования показали, что после применения состава метаболизм в рубцовой зоне приблизился к уровню здоровой сердечной ткани.

Результаты исследования представлены в журнале PLOS One. Теперь ученым предстоит понять, насколько устойчив эффект от состава, стабильна ли образующаяся под его действием проводящая сеть и как такое лечение влияет на работу сердца в целом.

Минимум компонентов даст возможность загружать состав в «умные» биоразлагаемые каркасы, которые можно будет имплантировать в рубец для целевого высвобождения препарата. Это позволит предотвратить действие состава на весь организм.

«Во время исследования, результаты которого уже опубликованы, мы в первую очередь проверяли новый состав на токсичность и риск возникновения воспалительных реакций, поэтому вводили его внутривенно. Конечно, это неправильно с точки зрения терапии. Сейчас мы активно работаем над созданием “умной” системы доставки для нашего состава, — поделилась Е.А. Турчанинова. — Планируется, что в первую очередь это будут таргетные наночастицы, которые мы тестируем в настоящее время. Кроме того, вероятно, мы сможем применять биоразлагаемые полимерные носители, которые будут постепенно высвобождать нужные вещества в требуемых концентрациях в определенное время. Это достаточно длительный процесс: на данном этапе он занимает около месяца, но мы работаем над сокращением срока до более реальных показателей — условно, до двух недель. Подобная длительность уже выглядит более реально. В будущем мы планируем доставлять наночастицы или биоразлагаемые каркасы напрямую в зону повреждения, чтобы создавать условия для трансдифференцировки клеток только в пораженной области».

Новость подготовлена при поддержке Министерства науки и высшего образования РФ

Фото на превью и на стоп-кадре видео: Анастасия Максименко / пресс-служба МФТИ. 

Источники изображений на странице: Анастасия Максименко / пресс-служба МФТИ, статья в журнале PLOS One / предоставлено пресс-службой МФТИ, nexusplexus / фотобанк 123RF.