Руководитель лаборатории биофизики возбудимых систем МФТИ профессор Константин Агладзе комментирует:«Сейчас все только подходят к тому, чтобы выращивать заплатки на сердце. Поэтому вопрос стоит такой: нужно ли упираться и создавать тканево-инженерные конструкции, которые можно вставить в сердце, если они не будут с ним объединяться в единую возбудимую ткань? Мы снимаем этот вопрос и показываем, что единая возбудимая ткань может образоваться. Даже если мы имеем разные клетки, на разных этапах развития или даже от разных животных. Хотя, конечно, животные были соседних видов — крыса и мышь, — но это как обезьяна и человек».
Починить сердце
В регенеративной медицине сердца ученые сегодня возлагают надежды на культивированные заплатки. В теории, с помощью кусочка выращенной сердечной ткани можно починить участки сердца, поврежденные, например, в результате инфаркта. Однако экспериментальных успехов в этом пока нет — трансплантированные клетки отмирали через несколько дней, а улучшений почти или вообще не наблюдалось. Сердечная ткань имеет важную особенность, которая и позволяет сердцу биться: она сокращается в ответ на электрический сигнал. До сих пор было неизвестно, может ли кусочек культивированной ткани встроиться в работу родной ткани сердца. Ведь чтобы сердечная мышца сокращалась, электрический сигнал должен передаваться от клетки к клетке. А если к родным клеткам подсадить чужеродные, неизвестно, возникнет ли между ними электрическая связь и получится ли из них единая система. Если не будет, то о починке сердца с помощью культивированных заплаток можно забыть. Ученые решили проверить, будет ли в принципе передаваться электрическое возбуждение, если соединить две ткани разного происхождения. Для этого они выращивали ткани из сердечных клеток в специально сконструированной емкости.
Схема эксперимента
Ученые сделали емкость в виде гантели — две круглые чаши (5 мм в диаметре), соединенные тонким каналом (7 мм длиной). Чтобы разные культуры не перемешивались, в середине канала вставили перегородку. Одну культуру высеивали в одной части, где-то через час добавляли другую культуру во вторую часть и через несколько часов, когда обе части до конца заполнялись, перегородку убирали. Таким образом, ткани соединялись в том месте, где была перегородка. Исследователи возбуждали одну ткань и смотрели, распространяется ли волна возбуждения в другой ткани. Чтобы это увидеть, в емкость добавляли флюоресцентный краситель Fluor-4, который относительно сильно светится при прохождении волны возбуждения, и наблюдали за свечением при помощи сверхчувствительной камеры.
Разные ткани
Для первого эксперимента были взяты сердечные клетки новорожденных крыс. Первичную клеточную культуру сначала добавляли в одну часть емкости, а через три дня — в другую. Таким образом, ткани находились на разных стадиях развития. Тем не менее, когда одну ткань стимулировали с помощью электрода, волна возбуждения спокойно пересекала границу между тканями и распространялась дальше. Далее ученые решили проверить, повторится ли результат эксперимента, если ткани будут от разных животных — от крыс и от мышей. Волна возбуждения распространялась между тканями, хотя ее скорость в разных клеточных культурах различалась.
Для чистоты эксперимента
Теоретически клетки ткани, которые не стимулировали электродом, могли возбудиться из-за электрического поля электрода. Чтобы исключить этот эффект, ученые провели еще одну серию экспериментов. С помощью генно-инженерных методов они встроили в мышиные клетки светочувствительный белок ChR2 (канальный родопсин-2) и стимулировали их светом. Крысиные клетки не были светочувствительными, но по ним проходила волна возбуждения, когда на мышиные светили светом. Это точно доказывает, что между двумя разными тканями образовалась электрическая связь. Синхронизация разных культур подтвердилась также на микроуровне, при рассмотрении отдельных клеток.
Тем не менее, на границе двух разных культур наблюдались некоторые особенности. Оказалось, что на некоторых частотах волны возбуждения частично гасятся, когда проходят через границу. Следующий вопрос, который нужно решить прежде, чем выращивать сердечные заплатки: могут ли эти особенности увеличить риск аритмии.
Эта работа была поддержана Германским исследовательским фондом и грантом Российского научного фонда.
