Работой сердца управляет синоатриальный узел, или водитель ритма, — крошечная, но крайне важная структура в правом предсердии. Естественный «кардиостимулятор» генерирует электрические импульсы, которые распространяются по миокарду, координируя сокращения предсердий и желудочков. Сбой в этой системе может повлечь нарушения ритма с самыми разными последствиями — от обморока до летального исхода.
Изучать синусовый узел у человека непросто: он очень мал, скрыт и труднодоступен для прямого исследования. Животные модели воспроизводят особенности водителя ритма Homo лишь частично. Чтобы обойти эти ограничения, китайские ученые взяли плюрипотентные стволовые клетки человека и, аккуратно направляя их дифференцировку, вырастили в чашке Петри органоид суинусового узла. Результаты эксперимента изложены на страницах Cell Stem Cell.
Такие попытки предпринимались и ранее, и вполне успешно. Но авторам впервые удалось вырастить полнофункциональную проводящую систему сердца, включающую головную, хвостовую и переходные зоны, клетки которых работали согласованно и даже экспрессировали гены, сходные с таковыми у эмбриональных клеток-пейсмейкеров человека. Присоединение искусственно выращенного «кардиостимулятора» к органоидам предсердия обеспечивало управление ими посредством электрических импульсов.
Исследователи проверили, можно ли использовать эти органоиды для моделирования болезненных состояний. Внеся мутацию, связанную с семейной формой медленного сердечного ритма, они добились того, что органоиды стали биться медленнее — так были воспроизведены ключевые черты дисфункции синоатриального узла. Дальнейшие опыты показали, что селективный блокатор калиевых каналов способен частично восстановить нормальный ритм, что демонстрирует потенциал модели для тестирования терапевтических вмешательств в условиях, приближенных к человеческому организму.
В организме частота сердцебиений дополнительно регулируется нервной системой, в особенности парасимпатическими нервами, которые замедляют пульс. Чтобы смоделировать это, вырастили органоиды сердечного сплетения, обогащенные нейронами, подобными парасимпатическим, и соединили их с органоидами водителя ритма. Нервные отростки протянулись к клеткам пейсмейкера, снижая частоту их сокращений. Добавив предсердные органоиды и сформировав трехкомпонентную сборную структуру «нерв — синоатриальный узел — предсердие», ученые показали, что нервная регуляция может передаваться на нижележащие ткани, имитируя управление сердечный ритмом в живом организме воздействием нервной системы.
Эта созданная на основе человеческих клеток система in vitro открывает новый подход к изучению управления работой сердца, созревания водителя ритма, наследственных нарушений сердечного ритма и реакции на лекарства. В отдаленной перспективе возможно будет выращивать кардиостимуляторы — максимально биосовместимые и растущие с детским организмом при трансплантации ребенку.
Открытие: у сердца есть мини-мозг — нервная система, контролирующая сердцебиение
Создан самый маленький кардиостимулятор, который растворяется в крови
Подписывайтесь и читайте «Науку» в MAX