Исследователи из Школа медицины Университета Джонса Хопкинса выяснили, что человеческие нервные клетки, выращенные в лабораторных условиях, могут «налаживать связь» с клетками сердца и стимулировать их сокращение. По мнению учёных полученные ими результаты помогут научному сообществу в изучении расстройств нервной системы. Иными словами, есть вероятность, что это позволит выращивать в лаборатории нервные клетки, которые будут имитировать конкретные заболевания пациентов. Результаты своей работы авторы опубликовали в журнале Cell Stem Cell.
Учёные «превратили» человеческие стволовые клетки в симпатические нейроны (нервные клетки), которые затем выращивали вместе с клетками сердечной мышцы. После этого нейроны соединили с сердечными клетками, чтобы продолжить их дифференцировку. При стимуляции нейроны высвобождали молекулярные сигналы, которые заставляли сердечные клетки биться быстрее. Источник изображения: Cell Press
Ряд довольно перспективных лекарственных средств не может пройти клинические испытания из-за побочных эффектов, которые они оказывают на нервную систему. К таким эффектам относится, например, повышенное кровяное давление.
Руководитель исследования, кандидат наук Габсан Ли отмечает:
«Благодаря нашей работе, мы стали немного ближе на пути к возможности в будущем проводить испытания лекарственных препаратов на «лабораторных» клетках, чтобы с большей точностью прогнозировать, какие из этих медикаментов будут отрицательно влиять на работу жизненно важных органов».
Для чего организму симпатические нейроны?
Симпатические нейроны (нервные клетки) являются частью симпатической нервной системы, которая действует практически автоматически (без участия сознания) и в ответ на стресс активирует и регулирует дыхание, частоту сердечных сокращений, фокусировку зрения и пищеварение. Эти клетки связывают мозг с глазами, кровеносными сосудами и большинством внутренних органов, на которые человек редко может влиять сознательно.
Активация клеток приводит к высвобождению сигнальных молекул (нейромедиаторов), таких как норадреналин. В результате их действия происходит расширение зрачка и повышение дыхательного объёма, сужение кровеносных сосудов для повышения кровяного давления, а также повышение частоты сердечных сокращений и их силы. Сбой в работе симпатических нервных клеток может служить одной из причин возникновения ряда проблем со здоровьем: например, повышенное артериальное давление или другие заболевания сердечно-сосудистой системы.
Превращение стволовых клеток в симпатические нейроны
Исследовательская группа применяла как человеческие эмбриональные стволовые клетки, так и индуцированные плюрипотентные стволовые клетки (iPS). Затем, используя методы генетической инженерии, их «программировали» на излучение зелёного света при запуске главных генов – визуальный сигнал, по которому можно просто определить, что клетки стали симпатическими нейронами.
Путём подбора разных сочетаний химических веществ, команде удалось найти тот самый «рецепт», по которому стволовые клетки проходили через разные стадии дифференцировки (способность клеток специализироваться и выполнять определённые функции в организме), чтобы в итоге стать симпатическими нейронами. Такой процесс характерен для естественного эмбрионального развития.
Затем белки и электрический ток, вырабатываемые «лабораторными» клетками, сравнили с общепринятыми паттернами симпатических и других нервных клеток, и сходство между получившейся и обычной симпатической нервной клеткой подтвердилось.
Схема процесса развития организма (сокращённая версия изображения; автор: Kaidor)
Чтобы выяснить, могут ли выращенные в лаборатории нейроны корректно соединяться с клетками-мишенями и управлять их работой, учёные растили их вместе с клетками сердечной мышцы из трёх разных источников: клетки новорождённых мышей, мышиные эмбриональные стволовые клетки и человеческие клетки iPS. Нервная клетка соединилась с мышечными клетками из всех трёх источников. Чтобы активизировать нервные клетки, к ним добавили никотин, и оказалось, что увеличение сокращений наблюдалось только у мышечных клеток новорождённых мышей. Руководитель исследования считает, что такой результат требует дальнейшего изучения, но может быть вызван тем, что некоторые мышечные клетки были ещё не готовы к дифференцировке.
Полезное соседство с сердечными клетками
Результаты прошлых исследований показали, что работающие соединения между нервными клетками и их тканями-мишенями могут помочь клетке созреть во время развития. Поэтому учёные изучили нервные клетки, выращенные как с клетками сердечной мышцы, так и без них. Как и ожидалось, симпатические нервные клетки, выросшие с сердечными, оказались более «специализированными», чем клетки, которые росли отдельно, исходя из оценки белков, которые они производили.
Руководитель исследования Габсан Ли подчёркивает:
«Основной вопрос, касающийся исследования стволовых клеток, – как сделать дифференцированные клетки всех видов, которые существуют в организме? Теперь мы можем вычеркнуть из этого списка симпатические нервные клетки, хотя мы продолжаем изучать процесс их созревания, чтобы понять, к каким молекулярным изменениям приводит их связь с сердечными клетками».
Команда учёных также планирует проверить, способны ли нервные клетки соединяться с другими тканями-мишенями. Например, с кровяными сосудами и бурой жировой тканью, за которые отвечает симпатическая нервная система; эти ткани связаны с такими заболеваниями, как высокое кровяное давление, диабет и ожирение (бурый жир помогает контролировать потребление калорий и температуру тела). В дальнейшем при изучении вопросов соединения с тканью-мишенью можно также исследовать нервные клетки, полученные от пациентов с указанными заболеваниями, чтобы понять, как наследственная «генетическая погрешность» у разных пациентов влияет на работу нервов.
Oh et al., Functional Coupling with Cardiac Muscle Promotes Maturation of hPSC-Derived Sympathetic Neurons, Cell Stem Cell (2016), http://dx.doi.org/10.1016/j.stem.2016.05.002