Znaczenie badań

Choroby mięśnia sercowego
jako globalne wyzwanie

Choroby układu sercowo-naczyniowego (CVDs) są główną przyczyną zgonów na świecie, odpowiadając za 31% wszystkich śmierci (ok. 18 mln przypadków rocznie). Najczęstszymi przyczynami są zawały serca i udary. Ze względu na niskie zdolności regeneracyjne serca, uszkodzenia po zawale są trwałe. Do 20% leków jest wycofywanych z rynku ze względu na negatywny wpływ na układ sercowo-naczyniowy. Z tego powodu serce jest jednym z najczęściej potrzebujących przeszczepu organów.

Społeczne i ekonomiczne skutki CVDs

Choroby serca obciążają systemy opieki zdrowotnej i gospodarki na całym świecie. Leczenie pacjentów, rehabilitacja oraz utrata zdolności do pracy generują ogromne koszty. Dodatkowo, rozwój nowych leków wymaga testów minimalizujących ich potencjalną toksyczność dla serca. 20% leków wycofywanych z rynku wynika właśnie z negatywnego wpływu na układ sercowo-naczyniowy.

Nowoczesne terapie i komórki macierzyste

Trwają prace nad pozyskaniem w warunkach laboratoryjnych dorosłych komórek mięśnia sercowego, które:

Przyczynią się do rozwoju prac nad regeneracją serca
Umożliwią poznanie mechanizmu rozwoju chorób genetycznych
Zapewnią szybkie i tanie testy przesiewowe do analizy toksyczności leków względem serca

Kardiomiocyty do badań mogą być pozyskiwane przez różnicowanie z komórek macierzystych:

Embrionalne komórki macierzyste (ESCs) – wysoka zdolność do różnicowania, ale budzą kontrowersje etyczne.
Indukowane pluripotencjalne komórki macierzyste (IPSCs) – obiecująca metoda uzyskiwania komórek zdolnych do przekształcania się w kardiomiocyty, bez kontrowersji etycznych.

Nowe Metody dojrzewania Kardiomiocytów

Mimo sukcesów w otrzymywaniu IPSCs, ich dojrzewanie w funkcjonalne kardiomiocyty pozostaje wyzwaniem. Naturalny rozwój kardiomiocytów w organizmie trwa 6-7 lat. Dlatego trwają badania nad przyspieszeniem tego procesu poprzez odpowiednie bodźce fizykochemiczne, takie jak:

Podłoża biomimetyczne

naśladują strukturę mięśnia sercowego

Stymulacja elektryczna

dla odwzorowania warunków fizjologicznych (pracy komórek rozrusznika serca)

Optymalizacja składu podłoża hodowlanego

wspierającego różnicowanie i dojrzewanie komórek

Zwiększanie Efektywności

Współczesne badania wskazują, że skuteczność hodowli kardiomiocytów z komórek macierzystych (IPSCs) może być znaczną poprawiona poprzez odwzorowanie natywnych warunków tkanki sercowej. Połączenie różnych biofunkcjonalnych bodźców może być kluczem do sukcesu w przyspieszonym dojrzewaniu tych komórek. Oto najważniejsze strategie:

Uporządkowana morfologia podłoża

Struktury nanometryczne, takie jak włókna i rowki, aktywują mechanizmy mechanotransdukcji, wpływając na kształt komórek i powstawanie sarkomerów. Badania wykazują, że powierzchnie te sprzyjają dojrzewaniu kardiomiocytów, ale dla optymalnych efektów wymagane jest łączenie różnych czynników.

Przewodnictwo elektryczne podłoża

Tkanka sercowa naturalnie przewodzi impulsy elektryczne, co można zasymulować w warunkach in vitro. Elektroprzewodzące podłoża, wzbogacone o nanocząstki (np. grafen, nanorurki węglowe, nanocząstki złota), poprawiają synchronizację komórek, ich różnicowanie oraz przyspieszają dojrzewanie.

Elektrostymulacja

Zastosowanie zewnętrznych impulsów elektrycznych naśladuje warunki naturalne, wpływając na szlaki biochemiczne komórek. Elektrostymulacja poprawia ich funkcjonalność i dojrzewanie. Platformy, takie jak Biowire II, część platformy Opal od firmy Valo health (https://www.valohealth.com/what-we-do/platform), wykorzystują to podejście do tworzenia dojrzałych tkanek do badań nad lekami i terapiami sercowymi.

Mechanostymulacja

Imitowanie skurczów mięśnia sercowego poprzez mechaniczne bodźce pobudza dojrzewanie komórek. Połączenie mechanostymulacji z elektrostymulacją pozwala na osiągnięcie efektu Bowditcha, zwiększającego wydajność hodowli.

Właściwości mechaniczne podłoża

Optymalna sztywność podłoża (10-30 kPa) pozwala komórkom na prawidłowe dojrzewanie i rozwój sieci sarkomerów. Zbyt sztywne lub zbyt miękkie podłoże negatywnie wpływa na funkcjonalność kardiomiocytów.

Modyfikacja chemii powierzchni

Powierzchnie wzbogacone w grupy aminowe oraz białka ECM (kolagen, laminina, fibronektyna) poprawiają adhezję, proliferację i dojrzewanie kardiomiocytów. Innowacyjnym podejściem jest wykorzystanie ECM syntetyzowanej przez fibroblasty do wspierania dojrzewania komórek sercowych.

Dojrzewanie i różnicowanie komórek macierzystych do kardiomiocytów wymaga wieloaspektowego podejścia. Połączenie różnych technik bioinżynieryjnych pozwala na skuteczniejsze odtworzenie warunków naturalnych, co otwiera nowe możliwości dla medycyny regeneracyjnej i badań nad chorobami serca.