Достижения в инженерии сердечной ткани дают надежду на множество полезных приложений, от восстановления сердца до моделирования заболеваний. В рамках активных, текущих исследований, связанных с биоинженерией функциональных органов человека, Адам Файнберг и его команда находят вдохновение в развивающемся сердце для восстановления сердечной мышцы человека.
Внутри сердца взрослого человека миокард (мышечная стенка) организован в виде сложной структуры со слоями выровненных кардиомиоцитов (клеток сердца), обернутых в разных направлениях для поддержки его насосной способности. Он формируется во время эмбрионального морфогенеза, когда сердце начинается как линейная трубка и превращается в свою четырехкамерную структуру.
Чтобы лучше понять, как кардиомиоциты взаимодействуют друг с другом во время реорганизации внутри эмбриона, группа Файнберга сконструировала двумерные ткани, используя микропаттерны фибронектина, чтобы идентифицировать и наблюдать взаимодействия клетка-клетка и клетка-внеклеточный матрикс (ЕСМ). Предыдущие исследования изучали, как кардиомиоциты организуются в выровненную ткань; однако отдельные физические, механические и биохимические факторы, которые управляют выравниванием кардиомиоцитов, остаются в значительной степени неизвестными.
"Мы были заинтересованы в изучении множества факторов, которые влияют на формирование структуры и, в конечном итоге, на функцию сердечной мышечной ткани человека," объяснил Иван Баталов, руководитель исследования, недавно опубликованного в Scientific Reports, и бывший кандидат наук в области материаловедения и инженерии.D. ученик. "Чтобы оценить, как клетки сердечной мышцы взаимодействуют друг с другом по сравнению с тем, как они взаимодействуют с ECM, нам пришлось разделить их взаимодействия, потому что они естественным образом происходят вместе."
Исследование группы потребовало большого количества данных, сложных методов анализа и разработки специального алгоритма для обработки данных и извлечения полезной информации. Их результаты в конечном итоге показали, что взаимодействия как клетка-клетка, так и клетка-ECM играют важную роль в формировании выровненного миокарда.
"Эти результаты впечатляют, потому что они показывают, как мы можем использовать идеи, полученные в результате развития сердца, для создания основанных на биологии принципов инженерного проектирования для восстановления сердечной мышцы человека," сказал Файнберг, профессор биомедицинской инженерии, материаловедения и инженерии. "Это важно, потому что в норме сердце взрослого человека не может восстановить себя после травмы или болезни. Нам нужно понять, почему это происходит, и определить, как мы потенциально можем направить регенерацию."
В целом, эти результаты подтверждают текущие усилия по созданию сердечной ткани человека вне организма. Такие ткани можно использовать для восстановления поврежденных или мертвых тканей пациентов, перенесших сердечный приступ или страдающих сердечными заболеваниями – самой распространенной причиной смерти во всем мире. Их также можно использовать при разработке лекарств, чтобы обеспечить более точное тестирование (в отличие от испытаний на животных) токсичности и эффективности лекарства.
"Создание качественных функциональных тканей сердечной мышцы требует глубокого понимания того, как взаимодействуют кардиомиоциты," добавил Баталов. "Нам нужно понять, что движет выравниванием этих ячеек, чтобы в конечном итоге быть успешным."