Инженеры-биомедики из Университета Дюка вырастили трехмерную человеческую сердечную мышцу, которая функционирует точно так же как и естественная ткань. Этот прогресс может быть важным в лечении пациентов с сердечным приступом или служить в качестве платформы для проверки новых лекарств, применяемых при сердечных заболеваниях.

«Сердечный пластырь», выращенный в лаборатории из клеток человека, позволяет преодолеть два главных препятствия

, стоящие перед терапией, основанной на клеточных методах - пластырь проводит электричество приблизительно с той же самой скоростью как натуральные клетки сердца, и он соответствующим образом «сжимается». Более ранние попытки создать функциональные сердечные пластыри в значительной степени были неспособны преодолеть эти препятствия.

Исходные клетки, используемые исследователями из Университета Дюка, были стволовыми клетками человеческого эмбриона. Эти клетки плюрипотентны, что означает, что когда им даются верные химические и физические сигналы, они могут быть направлены учеными на развитие в любые виды клеток - в данном случае в клетки сердечной мышцы, известные как кардиомиоциты.

«Структурные и функциональные свойства этих трехмерных пластырей превосходят все предыдущие отчеты о спроектированных мышцах сердца человека», - сказал Ненад Берсэк, доцент биомедицинской техники на факультете инжиниринга имени Пратта при Университете Дюка. «Из тех, которые были выполнены до настоящего времени, это - наиболее близкое искусственное приближение к нативной человеческой сердечной ткани».

Результаты исследования Берсэка, которое поддерживалось Национальным Институтом сердца, легких и крови, были опубликовано онлайн в журнале «Биоматериалы». Берсэк сообщил, что данный подход не включает генетические манипуляции с клетками.

«В прошлых исследованиях, кардиомиоциты полученные из стволовых клеток человека были не в состоянии и к быстрому проведению электрической активности и к действенной контракции, такой же, как и нормальные кардиомиоциты», - сказал Берсэк. «Через оптимизацию трехмерной среды для роста клеток мы стали в состоянии «подтолкнуть» кардиомиоциты, чтобы они смогли достигнуть беспрецедентных уровней электрического и механистического созревания».

Уровень функционального созревания - важный элемент для пластыря, чтобы он стал практичным. При развитии человеческого эмбриона требуется приблизительно девять месяцев для функционирования сердца новорожденного, чтобы оно нормально развилось и дополнительно несколько лет, чтобы достигнуть уровня функционирования взрослых; однако, прогрессирование функциональных свойств этих биоинженерных пластырей заняло немногим более месяца. Берсэк отметил, что при прогрессе технологии, время должно сократиться.

«В настоящее время, нам требуется приблизительно пять - шесть недель, начиная с плюрипотентных стволовых клеток и до выращивания очень функционального сердечного пластыря», - сказал Берсэк.

«Когда у какого-либо человека проявляется сердечный приступ, часть сердечной мышцы отмирает», - сказал Берсэк. «Наша цель состояла в том, чтобы после сердечного приступа внедрить пластырь из новой и функциональной сердечной ткани в местонахождение повреждения, настолько быстро, насколько это возможно. Использование собственных клеток пациента, чтобы воспроизводить плюрипотентные стволовые клетки добавило бы дальнейшее преимущество, при котором вероятно не будет никакой реакции иммунной системы, так как клетки пластыря, будут признаны организмом как собственные».

В дополнение к возможной терапии для пациентов с сердечными заболеваниями Берсэк сообщил, что спроектированные сердечные ткани могут также использоваться при скрининге новых эффективных препаратов или методов лечения.

«Анализы или испытания новых препаратов могут быть дорогими и отнимать много времени», - сказал Берсэк. «Вместо этого, или наряду с испытаниями препаратов на животных, способность проверить их на фактической, функционирующей человеческой ткани может быть более прогнозирующей при изучении эффектов препаратов, и помочь определить то, какие препараты должны пройти дальнейшие исследования».

Некоторые испытания лекарственных средств проводятся на двухмерных слоях сердечных клеток, но согласно Берсэк, 3-мерная модель культуры обеспечивает превосходную среду для функционального созревания клеток. Это, как ожидают, лучше копирует реакции реальной сердечной мышцы на различные препараты или токсины. Спроектированные сердечные ткани, созданные из клеток пациентов с генетическими сердечными заболеваниями, могут использоваться как модель для исследования этих болезней и потенциальных методов их лечения.

Текущие эксперименты проводились на одной линии плюрипотентных стволовых клеток человека. Берсэк и его коллеги воспроизвели свои данные на двух других линиях клеток и в данный момент проверяют дополнительные линии. Они также планируют воспроизвести большие модели исследований на животных, чтобы изучить то, как пластырь функционально будет интегрироваться со своим организмом и как пластырь создает соединения с кровеносной системой.