Изучать болезни сердца можно не только на целом органе, но и с помощью клеточных моделей. Например, культуры кардиомиоцитов, полученных из индуцированных плюрипотентных стволовых клеток (ИПСК). Исследователи МФТИ использовали такие клетки сердца для изучения развития аритмии и реакции на фармакологическую стимуляцию с помощью аналога адреналина. Полученные данные пригодятся для построения математических моделей сердца и прогнозирования поведения сердечной ткани. Результат опубликован в журнале «Гены и клетки».
Культура кардиомиоцитов. Фото: Айгуль Низамиева
Сердечно-сосудистые заболевания остаются одной из главных причин заболеваемости и смертности во всем мире. Несмотря на подробно изученную работу органа, в вопросах нарушения сердечного ритма остается много неясного.
Чтобы восполнить пробел, ученые исследуют работу сердца «в пробирке» благодаря технологии индуцированных плюрипотентных стволовых клеток (ИПСК). Из них можно вырастить любые живые клетки, в том числе человеческого сердца — кардиомиоциты. Это отличная модель, которая позволяет понять, как в сердце возникают опасные сбои ритма (аритмии) и как оно реагирует на гормоны.
Именно этот подход использовали физтехи. На культивируемые кардиомиоциты здорового человека действовали препаратом изопреналин, это искусственный аналог мобилизующего «гормона стресса» адреналина, который вырабатывают надпочечники. Врачи применяют его в экстренных случаях, например когда нужно «запустить» остановившееся сердце или заставить его биться чаще при опасном замедлении пульса.
Для описания активности сердца ученые использовали пэтч-кламп — электрофизиологическую методику изучения ионных каналов, при которой фрагмент клеточной мембраны фиксируют на микропипетке. Были зарегистрированы токи через ионные каналы на мембране, включая быстрые натриевые каналы, кальциевые каналы L-типа и медленные компоненты калиевых каналов задержанного выпрямления.
Физтехи установили, как бета-адреностимуляция, то есть воздействие, имитирующее активацию вегетативной нервной системы, вызывает значительное усиление токов в потенциалзависимых каналах человеческих кардиомиоцитов. Даже малая доза «лабораторного адреналина» (изопреналина) резко усиливает потоки натрия, кальция и калия, проходящие через их мембрану. Однако проблема кроется в разнице времени «включения» этих токов.
Выяснилось, что кальциевый ток, отвечающий за возбуждение, активируется почти мгновенно, а калиевый ток, который «успокаивает» клетку, нарастает с заметным опозданием. Этот временной разрыв нарушает баланс, из-за чего сердечный импульс задерживается и в первые секунды стресса возникают опасные короткие сбои в работе сердца.
Ученые отметили, что изопреналин увеличивает амплитуду тока через кальциевые каналы на 120%. С одной стороны, это может быть полезно: чем больше кальция попадает в сердечную мышцу, тем мощнее она качает кровь. Однако избыток этих ионов может создать в сердце излишнюю активность, что также способствует нарушениям ритма.
Изопреналин заметно усиливает «электрический запуск» сердца: генерирующие потенциал действия натриевые каналы начинают работать на 73% активнее. Внутри клетки запускается цепь реакций, которая заставляет натриевые «ворота» пропускать больше тока. В результате импульс распространяется по сердцу быстрее, что опять-таки может вызвать опасную аритмию. В том числе после инфаркта миокарда.
Существенно также, что в этот момент в клетках сердца активируется запасной «предохранитель» — медленный компонент калиевых каналов. В нормальном состоянии он менее активен: у человека и других крупных млекопитающих преобладает быстрый компонент калиевых каналов. Однако после добавления изопреналина ситуация кардинально меняется: работа медленной компоненты усиливается почти на 98%.
Влияние изопреналина на кальциевые каналы L-типа (ICa, L) желудочковых кардиомиоцитов человека: a — запись токов ICa, L человеческих кардиомиоцитов, дифференцированных из индуцированных плюрипотентных стволовых клеток в контроле (чёрная кривая) и после действия 1 мкМ изопреналина (синяя кривая); b — вольтамперные кривые I–V для ICa, L в контроле (чёрная кривая, n=6) и после добавления изопреналина (синяя кривая, n=4); c — гистограмма изменения амплитуды в процентах в контроле (чёрная колонка, n=6) и после изопреналина (синяя колонка, n=4) (p ≤0,004). V — потенциал, измеряемый в милливольтах. Иточник: журнал «Гены и клетки»
Важным преимуществом работы стало использование человеческих клеток. На таких кардиомиоцитах редко проводят эксперименты, как правило, используются клетки сердца животных, которые заметно отличаются. В том числе свойствами ионных каналов.
Стоит учитывать и некоторые ограничения исследования: кардиомиоциты, выращенные из ИПСК, по степени зрелости могут не вполне соответствовать клеткам взрослого человека. Тем не менее их характеристики максимально приближены к реальной сердечной ткани. Еще одним ограничением работы является то, что все измерения проводились при физиологической температуре 37 °C. Хотя она и приближает эксперимент к реальным условиям организма, такая температура создает технические сложности для регистрации натриевого тока, повышая уровень «шума».
«Работа показывает, что человеческие кардиомиоциты из ИПСК надежно повторяют ключевые эффекты β-адреностимуляции изопреналином. С помощью метода пэтч-кламп мы получили количественные параметры моделирования электрической активности сердца при симпатической нагрузке: амплитуды токов ионов натрия, кальция и калия INa, ICa, L и IKs увеличиваются на 73%, 120% и 98% соответственно. Смещение вольтамперных кривых в совокупности с дисбалансом в кинетике активации ионных каналов может способствовать ранней постдеполяризации. Наши результаты демонстрируют возможности скрининга лекарственных препаратов и персонализированной медицины»,— отметила Сандаара Коваленко, старший научный сотрудник лаборатории экспериментальной и клеточной медицины МФТИ.
Научная публикация: Коваленко С. Г., Фролова Ш. Р., Романова С. А., Цвелая В. А., Сюняев Р. А., Агладзе К. И. Кардиомиоциты человека, полученные путем направленной дифференцировки индуцированных плюрипотентных стволовых клеток, как модель для изучения аритмогенности на примере изопреналина // Гены и клетки. 2025. Т. 20, №2. С. 120–129. DOI: 10.17816/gc643085
