Ученым впервые удалось вырастить в культуре человеческое мини-сердце. В органоиде сформировались все основные типы сердечных клеток, а также структуры, похожие на коронарные сосуды и камеры сердца.
Маленькие сердца регулярно сокращались, а по строению, развитию и экспрессии генов органоиды были похожи на настоящие сердца человеческого эмбриона. Протокол создания таких сердец прост и воспроизводим.
Сердечно-сосудистые заболевания — основная причина смертности в мире, а с врожденным пороком сердца рождается около одного процента детей. Исследование этих болезней затруднено из-за ограниченного выбора модельных объектов: работы проводят в основном на органах животных или клеточных культурах, которые по физиологическим, анатомическим и биохимическим особенностям отличаются от сердца человека.
Удобным решением было бы выращивание целых искусственных сердец in vitro из стволовых клеток — так создают, например, органоиды почек или кишечника. В последние десятилетия биологи научились выращивать из стволовых клеток разнообразные клеточные линии и целые ткани сердца, однако пока никому не удавалось смоделировать в культуре развитие целых органоидов, которые анатомически и гистологически были бы близки к человеческому сердцу.
Ученые из США под руководством Айтора Агирре (Aitor Aguirre) из Университета штата Мичиган разработали протокол выращивания сердечных органоидов. Человеческие плюрипотентные стволовые клетки центрифугировали так, что те слипались в шарообразные структуры, а затем выращивали поочередно в средах с разными концентрациями активатора и ингибитора сигнального пути Wnt.
К 15 дню выращивания сформировался двухслойный органоид сферической формы: снаружи клетки эпикарда, внутри — кардиомиоциты. Уже на шестой день клеточный шар начал сокращаться, а к десятому биение стало регулярным. Органоид был пронизан сетью эндотелиальных клеток с просветом, похожую на систему коронарных сосудов. Кроме того, в искусственном сердце сформировалось несколько пустот, выстланных эндотелием и напоминающих камеры сердца. Формирование сосудов и камер удалось усилить, когда в среду добавили два морфогена: BMP4 и активин A.
Клетки моикарда (красный) и эпикарда (зеленый и серый) в органоиде, выращенном в разных концентрациях ингибитора Wnt
Пустоты органоида, похожие на камеры сердца
Секвенирование РНК органоида на разных сроках подтвердило, что стадии его развития такие же, как у сердца человеческого эмбриона. В органоиде экспрессировались гены, обеспечивающие главные функции сердца: проводимость, сократимость, кальциевый обмен. Ученые также обнаружили в органоиде все главные типы клеток сердца, в том числе клетки эпикарда, эндотелия, эндокарда и фибробласты. Такого гистологического разнообразия и генетического сходства с настоящим сердцем не удавалось достичь в однослойных клеточных культурах.
В заключение авторы работы подчеркнули, что придуманный ими протокол прост (достаточно обычного для выращивания клеточных линий оборудования) и воспроизводим. Полученный сердечный органоид по разнообразию клеток и морфологической организации похож на сердце человеческого эмбриона, а значит, на нем можно изучать как нормальное развитие сердца, так и его отклонения.
