Новый подход к изготовлению искусственных сердечных клапанов, основанный на использовании iPS-клеток был предложен в работе, опубликованной в последнем выпуске журнала The Annals of Thoracic Surgery.
У человеческого сердца четыре клапана. В норме они открываются только в одну сторону и обеспечивают ток крови в нужном направлении. Трехстворчатый (трикуспидальный) клапан находится между правым предсердием и правым желудочком. Венозная кровь попадает в сердце сначала в правое предсердие, оттуда в правый желудочек, затем правый желудочек сокращается, чтобы забросить кровь в легочный ствол – сосуд, по которому кровь отправится в легкие обогащаться кислородом.
Схема движения крови в сердце человека
Трехстворчатый клапан устроен как раз так, чтобы при сокращении желудочка кровь попадала в легочный ствол, а не возвращалась обратно в предсердие. Аналогично устроен митральный клапан между левым желудочком и левым предсердием. Обогащенная кислородом кровь, идущая от легких, попадает сначала в левое предсердие, из него в левый желудочек, а оттуда при сокращении желудочка отправляется в аорту. Митральный клапан предотвращает заброс крови обратно в предсердие. Аортальный клапан открывается из левого желудочка в аорту и препятствует обратному току крови из аорты в желудочек, когда желудочек расслаблен. Легочный клапан выполняет аналогичную функцию между левым желудочком и легочным стволом. Именно его конструировали из клеток авторы статьи.
Недостаточность клапанов бывает врожденной и приобретенной (после инфекционного эндокардита или из-за ревматизма), а также разной степени выраженности. В некоторых случаях помочь может только замена клапана на искусственный. Если заменять клапан приходится ребенку, например, при врожденном дефекте, возникает проблема. Ребенок растет, а клапан нет. По данным организации STS Congenital Heart Surgery Database, каждый год примерно 800 детей нуждаются в пересадке клапана.
Сделать клапан, который рос бы вместе с новым владельцем, можно только из живых клеток. При этом чужие клетки не годятся, поскольку вызовут у пациента иммунный ответ. Получить собственные клетки любого типа стало возможно благодаря использованию iPS-клеток. В фибробласты (клетки кожи) вводятся генетические конструкции, которые перепрограммируют их в плюрипотентные стволовые клетки. Затем с помощью других генетических конструкций в клетках запускается синтез молекул, превращающих эти клетки в мезенхимальные стволовые клетки. Мезенхимальные стволовые клетки могут дифференцироваться уже не во все типы клеток, а, в основном, в клетки мышц, суставов, костей и жировой ткани, то есть ткани, образующиеся в ходе эмбрионального развития из среднего зародышевого листка – мезенхимы.
Авторы надеются, что в будущем удастся вместо фибробластов, получение которых не вполне безболезненно (нужно вырезать кусочек кожи), использовать клетки крови.
Вообще получение искусственных органов и тканей для пересадки – это очень горячая тема в современной науке. Совсем недавно начались первые клинические испытания подобного метода, о который мы уже рассказывали. В этих испытаниях пациентке с макулодистрофией пересадили фрагмент эпителия сетчатки, полученный из iPS-клеток. Очень важно, чтобы этот эксперимент подтвердил безопасность метода, которая до того была подтверждена в многочисленных экспериментах на животных. Остается опасность, что какая-нибудь клетка не перестала быть iPS и все еще может неограниченно делиться. Это чревато образованием опухолей. За процессами в глазу легко следить и своевременно принять меры, вероятно, поэтому именно такие условия выбраны для первых испытаний. Если безопасность будет подтверждена, это откроет двери аналогичным методикам. Например, сердечным клапанам из iPS-клеток.
Кроме источника клеток остается вопрос поддержания трехмерной структуры клапана. Для этого авторами была использована технология бесклеточного матрикса (о некоторых других случаях ее применения мы также уже писали). Матрикс – это относительно жесткий каркас органа, образованный межклеточным веществом. Обычно он состоит из коллагена и других гликопротеинов, протеогликанов и гиалуроновой кислоты. Можно взять чей-нибудь чужой орган (например, легочный клапан), который нельзя пересадить просто так из-за иммунной несовместимости, вымыть из него клетки предыдущего хозяина и заселить клетками будущего хозяина. На данный момент исследователям удалось в лабораторных условиях на основе такого матрикса и iPS-клеток вырастить новый сердечный клапан.
Если такой метод будет использован для протезирования сердечного клапана пациента, фактически получится трансплантация органа, но без проблем с иммуносовместимостью. Вообще в последнее время появляется надежда, что технологии, основанные на применении iPS-клеток позволят решить некоторые проблемы, связанные с отторжением чужеродных тканей при трансплантациях самых разных органов.
