Команда учёных Австрийской академии наук использовала мультипотентные стволовые клетки, чтобы вырастить кардиоиды – крошечные искусственные «сердца» размером с кунжутное зёрнышко. Эти пульсирующие массы – первые самоорганизующиеся мини-органы, имитирующие характеристики человеческого сердца, включая полую камеру со стенками из мышечной ткани сердечного типа.
Прежде исследователям удавалось создавать искусственные мини-сердца – кардиоиды, однако для этого им было необходимо использовать каркас из соединительной ткани. Новые модели оказались способными к самоорганизации: учёным понадобилось лишь стимулировать стволовые клетки при помощи сигнальных путей, которые координируют развитие сердца у человеческого эмбриона. Сигнальные пути – это последовательности молекул, при помощи которых информация передаётся от клеточных рецепторов внутрь самой клетки. Строгие порядки молекул диктуют стволовым клеткам пути дифференциации для формирования нужных тканей. В ходе аналогичных исследовательских проектов биотехнологи уже использовали сигналы для выращивания самоорганизующихся органоидов глаз, мозга и кишечника.
Сперва учёные построили двумерную модель клеток, а затем, воздействуя на ключевые сигнальные пути, обычно выраженные в сердечных тканях, сумели вырастить трёхмерные кардиоиды. Всего через неделю полученные полые структуры начали ритмично сокращаться, впуская в подобие камеры питательную жидкость и выталкивая её обратно в лабораторную чашу. В ходе эксперимента учёные использовали все известные им сигнальные пути, потому точное течение процесса дифференциации мультипотентных стволовых клеток под их влиянием разгадано не окончательно. Впрочем, австрийским биотехнологам удалось отследить некоторые моменты. В частности, они выяснили, что важную роль в организации стволовых клеток сыграли сигналы WNT и ACTIVIN: их взаимодействие способствовало образованию полостей, напоминающих желудочки.
В рамках одного из экспериментов исследователи замораживали кардиоиды при помощи охлаждённых стальных прутьев. При контакте с холодным металлом некоторые клетки начали погибать – подобные процессы происходят в сердечной мышце при недостатке кровоснабжения. В то же время к повреждённым тканям стали мигрировать фибробласты, производящие белки регенерации. Авторы исследования надеются, что более совершенные кардиоиды позволят учёным доскональнее изучить механизмы регенерации сердца после повреждений. Кроме того, учёные не исключают, что в будущем на кардиоидах можно будет испытывать потенциал и токсичность медицинских препаратов до этапа клинических испытаний. На актуальном уровне фармацевтической индустрии только одно из 5000 потенциальных лекарственных средств преодолевает стадию доклинических испытаний, а использование органоидов могло бы значительно ускорить процесс разработки жизненно необходимых препаратов.
К тому же самоорганизующиеся кардиоиды позволят исследователям приблизиться к пониманию механизмов развития сердца. Сердце – первый орган, который формируется в организме эмбриона, однако учёные по сей день не имеют полного понимания деталей этого процесса. Без этой информации неизвестным остаётся и механизм возникновения множества врождённых пороков. По мнению авторов исследования «Cardioids reveal self-organizing principles of human cardiogenesis», детальное изучение алгоритмов трансформации стволовых клеток в кардиоиды на примере новых самоорганизующихся моделей поможет специалистам смоделировать развитие заболеваний и найти способ их избежать.