Компьютерные модели сердечной ткани могут имитировать ее структуру и обеспечивать интерактивное наблюдение за формированием и распространением волны возбуждения — электро-механической волны, бегущей по сердцу и обеспечивающей своевременное сокращение клеток. Создание таких моделей позволяет представить полную картину сердечно-сосудистых заболеваний для каждого пациента и рассчитать последствия хирургического вмешательства. Данные модели уже помогли выявить роль спиральных волн в инициации аритмии, но лежащие в основе аритмии биофизические механизмы все еще трудно исследовать. Ученые молодежной лаборатории экспериментальной и клеточной медицины МФТИ провели анализ наиболее востребованных подходов к построению моделей сердечной ткани и выявили наиболее оптимальный метод использования полимерных материалов и клеточного перепрограммирования для создания клеточных имплантов. Результат работы опубликован в журнале Biomimetics.
Молодые ученые лаборатории экспериментальной и клеточной медицины МФТИ ведут исследования в области сердечно-сосудистых заболеваний со стороны клеточной терапии с помощью 3D- и 2D-моделирования тканей, то есть создавая тканево-инженерные конструкции для разработки новых способов выращивания имплантов или других видов терапии.
«Есть несколько подходов к изучению диагностики и лечения сердечно сосудистых заболеваний — можно использовать методы клеточной терапии, заменяя поврежденную ткань, новой, выращенной из стволовых клеток своего же организма. Это хорошая теория, но на практике возникло много трудностей и в нашей лаборатории мы ищем пути совершенствования этого метода и уже имеем перспективные наработки.
Также к лечению сердечных заболеваний можно подойти со стороны моделирования патологий, которые позволяют детально изучить и понять процессы, лежащие в основе возникновения аритмий. Данные методы мы и проанализировали в нашей статье», — рассказала о своей работе Алерия Аитова, сотрудник лаборатории экспериментальной и клеточной медицины МФТИ.
В целом сердечно-сосудистая система опирается на два физиологических аспекта: сократимость миокарда и проводимость электрического возбуждения через сердечную ткань. Сократительная способность миокарда обеспечивает перекачку крови, а электрическое возбуждение — синхронное сокращение сердечной мышцы. Большинство аритмий возникает в результате нарушений проводимости возбуждения, приводящих к нескоординированному сокращению мышечных волокон. Это довольно распространенное заболевание, которое является основной причиной сердечно-сосудистой смертности во всем мире.
«В нашей лаборатории уже больше 10 лет ведутся исследования в данной области, и наш обзор — это небольшой итог развития клеточной терапии и моделирования как в России, так и в мире. Конечно, везде есть свои плюсы и минусы, но возможности компьютерного моделирования уже довольно значительны. Например, сейчас мы развиваем модель фиброза предсердий для помощи в принятии хирургических решений — делаем имитацию прохождения волны в сердце, на которую хирурги должны ориентироваться во время операции. Модель наглядно визуализирует процессы, и это очень важно, потому что при прохождении самой операции на открытом сердце не видно ни очага аритмии, ни распространения волны», — подчеркнула Алерия Аитова.
В классической практике различные нарушения изучают при помощи экспериментов на препарированных органах, представляющих собой либо целые сердца, либо отдельные срезы сердечной ткани. Основным ограничением этих исследований является то, что органы постепенно портятся, а их долговременная выживаемость невозможна. За последние два десятилетия были разработаны новые подходы к изучению аритмий на компьютерных моделях культуры сердечной ткани. Эти подходы позволили глубже понять механизмы аритмий и найти новые методы их лечения.
«Мы анализировали разные методы исследования in vitro (в лабораторных условиях) и in silico (компьютерное моделирование) для решения задач тканевой инженерии. Мы и раньше сравнивали результаты экспериментов на живой ткани и при моделировании, и нам удалось показать, что in silico достаточно хорошо воспроизводятся результаты, которые получились в экспериментах. Сейчас мы работаем над более сложными системами, чтобы имитировать уже целиком предсердия или большую их часть и изучать аритмию в сложных и больших моделях.
В исследовании мы подробно рассмотрели самые передовые модели для имитации инфарктных шрамов в ткани и в регионах с диффузным фиброзом, где возникает пониженная скорость волны. Современные модели позволяют успешно имитировать процессы, и, используя эти технологии, мы можем добиться повышения точности прогноза лечения», — рассказал Андрей Бережной, сотрудник лаборатории экспериментальной и клеточной медицины МФТИ.
Фото. Ученые покрасили кардиомиоциты, полученные из индуцированных плюрипотентных стволовых клеток, и наблюдают сокращения кардиомиоцитов под микроскопом. Изображение транслируется на экран монитора (зеленые клетки). Источник: лаборатория экспериментальной и клеточной медицины МФТИ
Модели тканей in vitro состоят из сердечных клеток, расположенных в двух- или трехмерных структурах. Они могут быть получены из первичных сердечных клеток (животных), из плюрипотентных стволовых или иммортализованных линий сердечных клеток. Модели позволяют делать комплекс обследования лекарств, позволяющий дать высокопроизводительную оценку кардиотоксичности и фармакологической активности лекарственных средств. Также модели активно используются используются в генной терапии. Что немаловажно, они помогают решить этические и практические проблемы, связанные с экспериментами на животных.
Тканевые модели in vitro имеют ряд преимуществ, так как позволяют:
– подробно изучить механизмы заболевания, изолируя отдельные клетки или небольшие кластеры;
— оценить новые лекарства и методы лечения, моделируя состояния сердца и отслеживая, как они влияют на электрическую активность;
— изучить влияние различных факторов окружающей среды, подвергая клетки воздействию различных химических веществ, токсинов и т. д.
Но, хотя такие модели и являются многообещающими инструментами для разработки новых терапевтических стратегий, исследователи на практике сталкиваются с некоторыми проблемами и ограничениями, такими как:
- задача воспроизведения точного клеточного состава и архитектуры сердечной ткани человека;
- изменчивость и незрелость сердечных клеток, полученных из плюрипотентных стволовых, по сравнению с естественными;
- отсутствие стандартизированных протоколов и критериев для создания и оценки моделей тканей;
- необходимость дальнейшей проверки и внедрения результатов тканевых моделей в клинические условия.
«Дело в том, что сердечная ткань — анизотропная структура, в которой волна распространяется не как в толще воды, где самой волне все равно, в какую сторону идти. Но в большинстве моделей ткань представлена именно так. Благодаря современным подходам ткань может быть представлена как структура, набранная из доменов, кирпичиков, где каждая клетка имеет определенную форму и свою проводимость, в зависимости от типа. Таким образом, если не делать модель изотропной, а составлять из кирпичиков, доменов клеток, то параметры, при которых возникает аритмия, удается гораздо точнее предсказать. Но пока эти разработки не применяются в лечебной практике. Только в некоторых странах проходят клинические испытания подобных моделей, но без учета формы клеток и особенностей строения, хотя и это уже реальный шаг к тому, чтобы моделирование ткани стало органичной частью диагностики», — подчеркнул Андрей Бережной.
Таким образом, будущие исследования должны быть направлены на улучшение качества и воспроизводимости моделей тканей, а также объединение их с другими технологиями, такими как тканевая инженерия, редактирование генов, оптогенетика и компьютерное моделирование.
Лаборатория экспериментальной и клеточной медицины открыта в ФБМФ МФТИ, ее задачи сфокусированы на экспериментальной и вычислительной кардиологии. Стать участником передовых исследований для клинического применения можно, поступив в бакалавриат, магистратуру или аспирантуру ФБМФ МФТИ.
