Сърдечните заболявания продължават да бъдат водещата причина за смърт в световен мащаб, отчасти поради ограничени терапевтични възможности и неспособността на сърцето да регенерира здрави клетки, наречени кардиомиоцити след инфаркти. Учени от Медицинския факултет на UNC и на други места проучват начини за препрограмиране на клетки от белези в здрави клетки на сърдечния мускул и сега изследователите на UNC публикуват първата научна статия, в която се сравняват в големи подробности двете водещи техники за препрограмиране.

инфаркт

Воден от д-р Ян Джоу, докторант в лабораторията на д-р Ли Цян, асистент по патология и лабораторна медицина в UNC, изследване, публикувано в Клетъчни отчети предполага, че един метод води до създаването на кардиомиоцити с генетични сигнатури, които имитират отблизо тези, открити в здравите клетки на сърдечния мускул на възрастни. Другият подход за препрограмиране води до създаването на кардиомиоцити с повече ембрионални клетъчни подписи. "Разликите в кардиомиоцитите, генерирани с помощта на тези два метода, са поразителни", каза Киан, който също е член на Института за сърце на UNC McAllister. „Изследователите могат да изберат един или друг метод въз основа на конкретния тип сърдечно заболяване, което се интересуват от изучаване, докато клиницистите могат внимателно да изберат кой метод е най-добър, като се вземат предвид плюсовете и минусите на всеки подход.

Кардиомиоцитите, клетките, отговорни за биенето на сърцето, са от съществено значение за възстановяването на сърцето след нараняване. Но след нараняване, като инфаркт, много от тези клетки необратимо се губят; те са превърнати в клетки на белези. Заместването на тези изгубени клетки със специфични за пациента кардиомиоцити е привлякло вниманието като потенциална терапия, тъй като съществуващата здрава сърдечна тъкан по-добре приема тези клетки и поради увеличените проценти на възстановяване. Специфичните за пациента кардиомиоцити също предлагат уникални предимства за скрининг на лекарства, за да помогнат на лекарите да идентифицират конкретния тип и дозировка на всеки пациент.

В момента има два широко практикувани подхода за генериране на специфични за пациента кардиомиоцити.

При първия подход, възрастна съединителна клетка, наречена фибробласт, се препрограмира обратно в наивно състояние, подобно на ембрионални стволови клетки. Веднъж попаднала в това наивно състояние, клетката има потенциал да се превърне във всякакъв тип клетки в тялото, но изследователите я насочват да се развие в кардиомиоцит. Тези новосъздадени кардиомиоцити се наричат ​​индуцирани плюрипотентни кардиомиоцити на стволови клетки (iPSC-CM).

Във втория подход, наречен директно сърдечно препрограмиране, фибробластът директно се превръща в кардиомиоцит, без да се налага първо да се препрограмира в наивна ембрионална стволова клетка. Тези нови кардиомиоцити се наричат ​​индуцирани кардиомиоцити (iCM).

Лабораторията Qian сравнява кардиомиоцитите, генерирани с помощта на тези два подхода към първоначалния тип изходни клетки (сърдечни фибробласти) и към истинските кардиомиоцити. Изследователите установяват, че и двата метода водят до клетки с класически молекулярни характеристики на кардиомиоцитите. Чрез сравняване на уникалния набор от гени, активирани или неактивирани във всяка група клетки, изследователите установяват, че iPSC-CMs по-скоро приличат на ембрионални кардиомиоцити, докато iCM по-близко приличат на възрастни кардиомиоцити.

"Това е изключително важно знание", каза Цян. "Когато разработваме изследователски проекти или създаваме нови терапии, трябва да знаем този вид генетични характеристики, за да помогнем най-добре на пациентите."

Изследователите също така установиха, че iPSC-CM имат по-активни гени и по-голям брой гени, готови да бъдат активирани или потиснати (известен като "епигенетично хипердинамичен"), черта, която по-често се среща в мощните клетки.

Метаболитно, iPSC-CMs имат по-висока експресия на гликолитични гени, докато iCMs имат по-висока експресия на гени, участващи в окисляването на мастните киселини, основното средство за производство на енергия в възрастните сърца.

В iPSC-CM клетките на сърдечния мускул, наречени саркомери, които придават на сърцето набразден вид, са по-малко организирани, отколкото в iCM. Контрактируемостта на кардиомиоцитите, измерена чрез прием и отстраняване на калций, също е по-голяма при iCM, което отново предполага, че iCM клетките са по-зрели от iPSC-CM клетките.

След това изследователите разследват дали позволяването на iPSC-CM да растат по-дълго би увеличило тяхното съзряване. iPSC-CM бяха събрани в различни моменти от време и анализирани. По-дългите времена на култивиране увеличават броя на зрелите гени на кардиомиоцитите, но не намаляват броя на ембрионалните гени на кардиомиоцитите. Структурата на саркомера на iPSC-CM клетки също се подобрява с увеличено време за култивиране, но не съответства на организацията на iCM клетки. Това показва, че iPSC-CM и iCM поемат различни пътища към зреене.

„Въпреки че всеки метод има плюсове и минуси,“ каза Циан, „за вродени сърдечни заболявания, iPSC-CM може да са идеални за изследване на механизма и за извършване на скрининг на лекарства.“ Изненадващо, един такъв начин на препрограмиране може да зависи от клетъчния цикъл статус.

Възрастните кардиомиоцити не навлизат в клетъчния цикъл, което означава, че не могат да се репликират и да произвеждат повече клетки. Това отчасти обяснява неспособността им да попълнят сърцето след нараняване. По-малко гени на клетъчен цикъл са активни в iCM. Освен това изследователите установяват, че намалената експресия на общ ген на клетъчния цикъл в iPSC-CMs води до организация на саркомера, по-подобна на сърцата на възрастни.

Това проучване подчертава значението на разглеждането на различни техники за препрограмиране, използвани при генерирането на специфични за пациента кардиомиоцити. Избраната техника може да повлияе на молекулярните характеристики на генерираните кардиомиоцити. Най-добрият подход вероятно зависи от желаните резултати от всяко отделно проучване.

Циан каза: "Нашите изследвания поставят основата за разбиране на предимствата и недостатъците на различните подходи за генериране на специфични за пациента клетки на сърдечния мускул за клинични последици, като моделиране на болести, скрининг на лекарства и в крайна сметка възстановяване на човешкия сърдечен мускул след наранявания, като сърдечно атаки. "