Учёные напечатали функционирующую камеру сердца из стволовых клеток человека
Исследователи впервые в истории создали на 3D-принтере трехмерную модель сокращающейся мышцы сердца человека. Это открытие может стать важным шагом на пути изучения сердечно-сосудистых заболеваний — основной причины смертности в Соединенных Штатах, уносящей жизни более 600 000 человек в год.
Ранее исследователи уже пытались напечатать трёхмерные кардиомиоциты из плюрипотентных стволовых клеток человека. Плюрипотентные стволовые клетки (ПСК) обладают уникальной способностью превращаться в любой тип клеток в организме.
Исследователи перепрограммировали ПСК в клетки сердечной мышцы, а затем использовали специализированные 3D-принтеры для печати на основе трехмерной структуры, называемой внеклеточным матриксом. Проблема заключалась в том, что ученые так и не смогли достичь требуемой плотности клеток, необходимой для нормального функционирования сердечной мышцы.
В новом исследовании учёные из Университета Миннесоты (University of Minnesota) кардинальным образом изменили подход, который увенчался успехом.
Результаты были опубликованы в журнале Circulation Research, который издаётся Американской кардиологической ассоциацией.
«Вначале мы попробовали печатать кардиомиоциты с помощью 3D-принтера, и у нас также ничего не вышло», — говорит Бренда Огл (Brenda Ogle), ведущий научный сотрудник и руководитель Отдела биомедицинской инженерии в Колледже науки и техники Университета Миннесоты.
«Поэтому, опираясь на предыдущий опыт нашей команды в области исследований стволовых клеток и 3D-печати, мы решили опробовать новый подход. Мы оптимизировали специализированные чернила, изготовленные из белков внеклеточного матрикса, объединив их со стволовыми клетками человека и использовали эти чернила, содержащие клетки, для трехмерной печати камерной структуры. Сначала количество стволовых клеток было увеличено до высокой плотности в структуре, а затем мы дифференцировали их в клетки сердечной мышцы».
Команда обнаружила, что впервые в истории удалось достичь необходимой плотности клеток менее чем за месяц, что позволило клеткам биться сообща, как в сердце человека.
«После многих лет исследований мы уже были готовы сдаться, и тогда два моих аспиранта, специалисты в области биомедицинской инженерии Молли Купфер (Molly Kupfer) и Вэй-Хань Лин (Wei-Han Lin), предложили сперва попробовать напечатать стволовые клетки», — сказала Огл, которая также является директором Института стволовых клеток Университета Миннесоты.
«Мы решили сделать последнюю попытку. Я не могла поверить, когда мы увидели, что содержимое чашки Петри спонтанно и синхронно сжимается и способно перекачивать жидкость».
Огл сказала, что это также переломный момент в кардиологических исследованиях, поскольку данная работа демонстрирует возможность 3D-печати с использованием клеток сердечной мышцы таким образом, чтобы они могли организовываться и работать сообща. То, что клетки дифференцировались в непосредственной близости друг от друга, очень похоже на рост стволовых клеток в организме, когда они затем проходят спецификацию, превращаясь в клетки сердечной мышцы.
В отличие от других масштабных исследований, проводимых ранее, сказала Огл, в данном открытии создана структура, похожая на закрытую полость с входным и выходным отверстиями для жидкости и возможностью измерения объёма крови, перекачиваемой сердцем внутри тела. Это делает его бесценным инструментом для изучения работы сердца.
«Теперь у нас есть модель для обнаружения и отслеживания того, что происходит на клеточном и молекулярном уровнях в структуре, выполняющей насосную функцию, которая уже приближённо напоминает человеческое сердце», — сказала Огл. «Мы можем индуцировать болезни и травмы в данной модели, а затем изучить действие лекарств и других терапевтических методов».
Модель сердечной мышцы имеет длину около 1,5 сантиметров и была специально разработана для размещения в брюшной полости мыши для дальнейшего изучения.
«Всё это кажется простой концепцией, однако получение положительных результатов было достаточно сложным. Мы видим потенциал и думаем, что наше новое открытие может преобразовать исследования сердца», — сказала Огл.
