Maleńkie “serca” samoczynnie składają się w naczyniach laboratoryjnych i nawet biją jak prawdziwe

Pod czujnym okiem naukowców komórki macierzyste w naczyniach laboratoryjnych złożyły się w maleńkie serca „organoidy”, mniej więcej wielkości nasion sezamu i zaczęły „bić” jak prawdziwe miniaturowe serca.

Aby wprowadzić komórki macierzyste do tych struktur, zespół badawczy wystawił komórki na działanie zestawu białek i małych cząsteczek, o których wiadomo, że są zaangażowane we wczesny rozwój ludzkiego serca w łonie matki, zgodnie z nowym badaniem opublikowanym w czwartek (20 maja) w czasopiśmie Cell. Te białka i cząsteczki przyczepiły się do receptorów na powierzchni komórki i zapoczątkowały reakcję łańcuchową, powodując różnicowanie komórek macierzystych w kilka różnych typów komórek znajdujących się w sercu.

Zespół odkrył, że po tygodniu rozwoju komórki posortowały się w puste, przypominające komorę struktury, analogiczne do lewej komory serca. Co więcej, ściany komór zaczęły rytmicznie kurczyć się, naśladując bicie ludzkiego serca.

Ten przyspieszony timelapse pokazuje organoidy sercowe 3D, lub kardioidy, rosnące obok siebie w szalkach laboratoryjnych. (Zdjęcie: The Mendjan Lab)

„Interesuje nas zasadniczo to, jak przebiega rozwój ludzkiego serca i jak zawodzi, gdy mamy na przykład wrodzone wady serca” – powiedział starszy autor Sasha Mendjan, lider grupy w Institute of Molecular Biotechnology at the Austrian Academy of Sciences w Wiedniu. Te wady zwykle pojawiają się na dość wczesnym etapie ciąży, ale naukowcy nie mogą zajrzeć bezpośrednio do ludzkich embrionów, aby dokładnie zobaczyć, jak się pojawiają. „Nie mamy dostępu do tego okna – jest to zasadniczo czarna skrzynka” – powiedział Mendjan w wywiadzie dla Live Science.

Tutaj właśnie pojawiają się maleńkie organoidy: mogą zapewnić rzadki wgląd w te wczesne etapy rozwoju. Zespół nazywa ich dzieło „kardioidami”, co jest skrótem od organoidów sercowych. Kardioidy mogą również potencjalnie dostarczyć wglądu w niektóre choroby serca u dorosłych, w których uszkodzone komórki serca cofają się do stanu przypominającego płód, ale nie regenerują się tak, jak komórka embrionalna, dodał Mendjan.

„Ta praca jest znacząca w tym sensie, że zaczęli od ciał embrionalnych”, co oznacza trójwymiarowe skupiska pluripotencjalnych komórek macierzystych, rodzaj komórki macierzystej, która może dać początek wielu typom komórek – powiedział Ying Mei, profesor nadzwyczajny bioinżynierii na Clemson University, który nie brał udziału w badaniach. W szczególności zespołowi udało się zwabić komórki do struktury pustej komory – coś, czego wcześniej nie robiono z ciałami embrionalnymi, powiedział Mei. „O ile wiem, to jest pierwsza”.

Od skupisk komórek do bijącego serca

Zamiast zaczynać od masy komórek macierzystych, naukowcy mogą również tworzyć organoidy, stosując podejście zwane inżynierią tkankową, które polega na zbudowaniu fizycznego rusztowania, a następnie wprowadzeniu komórek do tej struktury. „Kiedy przyjmiesz podejście inżynierii tkankowej, tam… budujesz coś zgodnie z planem, skąd wiesz, że końcowy organ powinien wyglądać” – powiedział Mendjan.

„Myślę, że oba podejścia mają swoje zalety” – zauważył Mei. Na przykład Mei i jego koledzy stworzyli organoid z określonych komórek serca, aby symulować zawał serca w naczyniu laboratoryjnym, donoszą w raporcie z 2020 r. w Nature Biomedical Engineering. Te zbudowane z rusztowań organoidy mogą być również używane do badań przesiewowych leków, takich jak te przeznaczone do leczenia uszkodzeń serca, zanim leki zostaną wprowadzone do badań na zwierzętach lub ludziach.

Ale chociaż inżynieria tkankowa może uchwycić określone aspekty choroby, te organoidy nie odzwierciedlają tego, jak rzeczywiste narządy rozwijają się w macicy, powiedział Mei. Powiedział, że nowe kardioidy opracowane przez grupę Mendjana lepiej wychwytują ten proces rozwojowy.

Aby przekształcić komórki macierzyste z pustej karty w maleńkie serca, Mendjan i jego zespół aktywowali sześć szlaków molekularnych w komórkach; każda ścieżka opisuje efekt falowania aktywności w komórkach, który może być wywołany przez określone chemikalia. Zespół próbował aktywować te sześć ścieżek w różnej kolejności i używając różnych ilości aktywujących chemikaliów; w końcu wylądowali na kombinacji, która dała im nastoletnie, pulsujące organoidy serca.

„Zasadniczo komórki miały tylko sygnały”, czyli aktywujące substancje chemiczne i siebie, do których miały się przyczepić. A kiedy już się odnalazły, wiedziały, co mają zrobić ”- powiedział Mendjan. „Nauczyliśmy się z tego, że należy po prostu pozwolić komórkom robić swoje, jak najmniej ingerować”, dostarczając tylko niezbędnych sygnałów i paliwa potrzebnego komórkom do przetrwania w hodowli.

Same kardioidy przypominają maleńkie kulki o średnicy około 1 milimetra, które okresowo falują, ściskając płyn w ich wydrążonych środkach. „To byłoby analogiczne do ludzkiej  lewej komory w 28 dniu ciąży” , powiedział Mendjan. Powiedział, że lewa komora, która później pompuje natlenioną krew z serca do organizmu, jest pierwszą strukturą, która prawidłowo rozwija się w sercu.

Mając w ręku te maleńkie serca, zespół przeprowadził eksperyment polegający na modelowaniu uszkodzeń w organoidach, aby sprawdzić, czy naśladują one to, co dzieje się w prawdziwym sercu. W odpowiedzi na to, kardioidy wysłały do zranionych miejsc flotę komórek zwanych fibroblastami, które następnie zbudowały rusztowanie na martwych komórkach, aby utrzymać organoid w nienaruszonym stanie.

Ten wczesny etap procesu naprawy został zaobserwowany na modelach zwierzęcych, ale „takiej reakcji nigdy nie zaobserwowano in vitro ”, czyli w naczyniach laboratoryjnych, powiedział Mendjan. „Myślę, że widzimy to po raz pierwszy, ponieważ te kardioidy naprawdę zachowują się znacznie bardziej jak prawdziwy organ”.

To powiedziawszy, zespół nie wie, dlaczego kardioidy zachowują się tak, jak się zachowują, dodał. Nie wiedzą dokładnie, jak i dlaczego sześć szlaków molekularnych zwabia komórki macierzyste do struktury przypominającej serce. „Jest wiele rzeczy, których jeszcze nie rozumiemy” – powiedział Mendjan. W przyszłości zespół planuje dalsze eksperymenty z tymi ścieżkami, aby określić, jakie dokładnie zmiany wywołują one w komórkach macierzystych, tworząc kardioidę.

„Dla mnie jest to właściwie bardzo interesujące pytanie: co powoduje, że tworzą komorę?” – powiedział Mei. Oprócz demistyfikacji tych szlaków molekularnych, zespół pracuje obecnie nad nakłonieniem kardioidów do stworzenia wielu komór, takich jak prawdziwe czterokomorowe serce.

„Nie widzę bardzo dużych barier, aby to naprawdę stało się rzeczywistością” – powiedział Mendjan. Stworzenie wielokomorowej kardioidy pozwoliłoby zespołowi zobaczyć rozwój zastawek serca i przebieg procesu przegrody, w którym serce dzieli swoją pojedynczą komorę na kilka. Na tym etapie rozwoju pojawia się wiele wrodzonych wad serca, więc taki kardioid może zapewnić cenny wgląd w te schorzenia, powiedział Mendjan.

Na razie w obecnym modelu kardioidalnym „naśladują one bardzo wczesne etapy kardiogenezy” – zauważył Mei. „Wiele chorób [wrodzonych] zaczyna się na późniejszych etapach. Ale od czegoś trzeba zacząć”.

Źródło: Nicoletta Lanese

Cardioids reveal self-organizing principles of human cardiogenesis

Zdjęcie: The Mendjan Lab

Subscribe
Powiadom o
guest
0 komentarzy
Inline Feedbacks
View all comments
0
Would love your thoughts, please comment.x
()
x