Srdeční infarkty a městnavé srdeční selhání zůstávají navzdory mnoha průlomům v kardiovaskulární medicíně jedním z nejvýznamnějších zdravotních problémů národa. Navzdory úspěšným přístupům k prevenci nebo omezení kardiovaskulárních onemocnění zůstává totiž obnovení funkce poškozeného srdce obrovskou výzvou. Nedávný výzkum přináší první důkazy o tom, že dospělé a embryonální kmenové buňky mohou být schopny nahradit poškozené buňky srdečního svalu a vytvořit nové cévy, které je budou zásobovat. Zde jsou diskutovány některé z nedávných objevů, které představují strategie náhrady kmenových buněk a regenerace svaloviny pro opravu poškozeného srdce.

Úvod

Pro osoby trpící běžnými, ale smrtelnými srdečními chorobami představuje biologie kmenových buněk novou medicínskou hranici. Vědci se snaží využít kmenové buňky k nahrazení poškozených srdečních buněk a doslova obnovit srdeční funkci.

V současné době ve Spojených státech trpí městnavým srdečním selháním – neefektivním pumpováním srdce způsobeným ztrátou nebo dysfunkcí buněk srdečního svalu – 4,8 milionu lidí, přičemž každý rok přibývá 400 000 nových případů. Jedním z hlavních faktorů, které přispívají ke vzniku tohoto stavu, je srdeční infarkt, lékařsky označovaný jako infarkt myokardu, který se každoročně vyskytne u téměř 1,1 milionu Američanů. Je snadné rozpoznat, že postižení srdce a oběhového systému představuje hlavní příčinu úmrtí a invalidity ve Spojených státech .

Co vede k těmto ničivým následkům? Zničení buněk srdečního svalu, tzv. kardiomyocytů, může být důsledkem hypertenze, chronické nedostatečnosti v zásobování srdečního svalu krví způsobené ischemickou chorobou srdeční nebo srdečního infarktu, náhlého uzavření cévy zásobující srdce kyslíkem. Navzdory pokrokům v oblasti chirurgických postupů, mechanických pomocných zařízení, farmakoterapie a transplantace orgánů umírá více než polovina pacientů s městnavým srdečním selháním do pěti let od stanovení první diagnózy. Výzkum ukázal, že terapie, jako jsou léky na odbourávání sraženin, mohou obnovit průtok krve do poškozených oblastí srdce a omezit odumírání kardiomyocytů. Vědci nyní zkoumají způsoby, jak zachránit další životy pomocí náhradních buněk za odumřelé nebo poškozené buňky, aby oslabený srdeční sval mohl znovu získat svou čerpací sílu.

Jakou roli mohou hrát kmenové buňky při opravě srdce? Aby vědci na tuto otázku odpověděli, budují svou znalostní základnu o tom, jak jsou kmenové buňky usměrňovány, aby se z nich staly specializované buňky. Jedním z důležitých typů buněk, které mohou být vyvinuty, je kardiomyocyt, buňka srdečního svalu, která se stahuje, aby vypudila krev z hlavní čerpací komory srdce (komory). Další dva typy buněk jsou důležité pro správnou funkci srdce: cévní endotelová buňka, která tvoří vnitřní výstelku nových cév, a buňka hladké svaloviny, která tvoří stěnu cév. Srdce má velké nároky na průtok krve a tyto specializované buňky jsou důležité pro vývoj nové sítě tepen, která po poškození srdce přivádí ke kardiomyocytům živiny a kyslík. Potenciální schopnost embryonálních i dospělých kmenových buněk vyvinout se v poškozeném srdci do těchto typů buněk je nyní zkoumána jako součást strategie obnovení funkce srdce u lidí, kteří prodělali infarkt nebo mají městnavé srdeční selhání. Je důležité, aby práce s kmenovými buňkami nebyla zaměňována s nedávnými zprávami o tom, že lidské srdeční myocyty mohou po infarktu myokardu podléhat buněčnému dělení . Tato práce naznačuje, že poškozené srdeční buňky mohou přejít z klidového stavu do aktivního buněčného dělení. To se neliší od schopnosti řady jiných buněk v těle, které se po poranění začnou dělit. Dosud neexistuje důkaz, že v srdci existují skutečné kmenové buňky, které se mohou množit a diferencovat.

Vědci nyní vědí, že za vysoce specifických podmínek růstu v laboratorních kultivačních miskách lze kmenové buňky přimět k vývoji nových kardiomyocytů a cévních endoteliálních buněk. Vědci se zajímají o využití této schopnosti k zajištění náhradní tkáně pro poškozené srdce. Tento přístup má obrovské výhody oproti transplantaci srdce, zejména s ohledem na nedostatek dárcovských srdcí, která by byla k dispozici pro současné potřeby transplantací.

Jaké jsou důkazy, že by takový přístup k obnově srdeční funkce mohl fungovat? Ve výzkumných laboratořích badatelé často používají myší nebo potkaní model srdečního infarktu ke studiu nových léčebných postupů (viz obrázek 9.1. Hlodavčí model infarktu myokardu). K vytvoření srdečního infarktu u myši nebo potkana se kolem hlavní cévy obsluhující srdeční sval umístí ligatura, čímž se kardiomyocyty připraví o přísun kyslíku a živin. Během uplynulého roku učinili vědci využívající tyto modely několik klíčových objevů, které podnítily zájem o využití dospělých kmenových buněk k opravě srdečního svalu na zvířecích modelech srdečních onemocnění.

Obrázek 9.1. Hlodavčí model infarktu myokardu.

(© 2001 Terese Winslow, Lydia Kibiuk)

Nedávno Orlic a jeho kolegové informovali o experimentálním použití hematopoetických kmenových buněk k regeneraci tkání srdce. V této studii byl u myší vyvolán srdeční infarkt podvázáním hlavní cévy, levé hlavní věnčité tepny. Díky identifikaci jedinečných povrchových buněčných markerů pak výzkumníci izolovali vybranou skupinu dospělých primitivních buněk kostní dřeně s vysokou schopností vyvíjet se v buňky různých typů. Po vstříknutí do poškozené stěny srdeční komory vedly tyto buňky k tvorbě nových kardiomyocytů, cévního endotelu a hladkých svalových buněk, čímž vznikl de novo myokard, včetně koronárních tepen, arteriol a kapilár. Nově vytvořený myokard zaujímal 68 % poškozené části komory devět dní po transplantaci buněk kostní dřeně, čímž v podstatě nahradil mrtvý myokard živou, funkční tkání. Vědci zjistili, že myši, které dostaly transplantované buňky, přežily ve větším počtu než myši s infarktem, které myší kmenové buňky nedostaly. Nyní se provádějí následné experimenty s cílem prodloužit dobu analýzy po transplantaci a určit dlouhodobější účinky takové léčby . Částečná oprava poškozeného srdečního svalu naznačuje, že transplantované myší krvetvorné kmenové buňky reagovaly na signály v prostředí v blízkosti poškozeného myokardu. Buňky migrovaly do poškozené oblasti srdeční komory, kde se množily a staly se “specializovanými” buňkami, které se jevily jako kardiomyocyty.

Druhá studie, kterou provedli Jackson a spol. , prokázala, že srdeční tkáň lze regenerovat na modelu myšího srdečního infarktu pomocí zavedení dospělých kmenových buněk z myší kostní dřeně. V tomto modelu vyšetřovatelé purifikovali “vedlejší populaci” hematopoetických kmenových buněk z geneticky pozměněného kmene myší. Tyto buňky pak transplantovali do kostní dřeně letálně ozářených myší přibližně 10 týdnů předtím, než byly myši-příjemci vystaveny srdečnímu infarktu prostřednictvím podvázání jiné hlavní srdeční cévy, levé přední sestupné věnčité tepny (LAD). Dva až čtyři týdny po vyvolaném srdečním poškození byla míra přežití 26 %. Stejně jako ve studii Orlica a spol. prokázala analýza oblasti kolem poškozené tkáně u přeživších myší přítomnost dárcovských kardiomyocytů a endoteliálních buněk. Myší hematopoetické kmenové buňky transplantované do kostní dřeně tedy reagovaly na signály v poškozeném srdci, migrovaly do hraniční oblasti poškozené oblasti a diferencovaly se do několika typů tkání potřebných pro opravu srdce. Tato studie naznačuje, že myší hematopoetické kmenové buňky mohou být dodány do srdce jak transplantací kostní dřeně, tak přímou injekcí do srdeční tkáně, což představuje další možnou terapeutickou strategii pro regeneraci poškozené srdeční tkáně.

Další důkaz o možných terapiích srdečních onemocnění založených na kmenových buňkách poskytuje studie, která ukázala, že lidské dospělé kmenové buňky odebrané z kostní dřeně jsou po transplantaci potkanům schopny dát vzniknout cévním endotelovým buňkám . Stejně jako v Jacksonově studii vyvolali tito vědci srdeční infarkt podvázáním koronární tepny LAD. Velkou pozornost věnovali identifikaci populace lidských krvetvorných kmenových buněk, které dávají vzniknout novým cévám. Tyto kmenové buňky vykazují plasticitu, což znamená, že se z nich stávají typy buněk, kterými by za normálních okolností nebyly. Tyto buňky byly použity k tvorbě nových cév v poškozené oblasti srdce potkanů a k podpoře proliferace již existujících cév po experimentálním srdečním infarktu.

Stejně jako myší kmenové buňky mohou být tyto lidské krvetvorné kmenové buňky za vhodných kultivačních podmínek indukovány k diferenciaci do mnoha typů tkání, včetně srdečního svalu (viz obrázek 9.2. Oprava srdečního svalu pomocí dospělých kmenových buněk). Po vstříknutí do krevního řečiště vedoucího do poškozeného srdce potkana tyto buňky zabránily odumírání hypertrofovaných nebo ztluštělých, ale jinak životaschopných buněk myokardu a omezily postupnou tvorbu kolagenních vláken a jizev. U kontrolních potkanů, kteří podstoupili operaci s neporušenou koronární tepnou LAD, ani u potkanů s podvázanou LAD, kterým byl aplikován fyziologický roztok nebo kontrolní buňky, se neprokázalo zvýšení počtu cév. Kromě toho bylo možné hematopoetické buňky identifikovat na základě vysoce specifických buněčných markerů, které je odlišují od prekurzorových buněk kardiomyocytů, což umožňuje použití buněk samostatně nebo ve spojení se strategiemi regenerace myocytů nebo farmakologickou léčbou. (Více o markerech kmenových buněk viz příloha E.i. Jak vědci používají markery k identifikaci kmenových buněk?)

Obrázek 9.2. Oprava srdečního svalu pomocí dospělých kmenových buněk

(© 2001 Terese Winslow, Lydia Kibiuk)

Vzrušující nové pokroky v regeneraci kardiomyocytů přináší výzkum lidských embryonálních kmenových buněk. Vzhledem ke své schopnosti diferencovat se na jakýkoli typ buněk v dospělém těle jsou embryonální kmenové buňky další možnou zdrojovou populací buněk pro obnovu srdce. První krok v této aplikaci učinili Itskovitz-Eldor a spol., kteří prokázali, že lidské embryonální kmenové buňky se mohou v kultuře reprodukovatelně diferencovat v embryoidní tělíska tvořená buněčnými typy ze tří zárodečných vrstev těla. Mezi různými zaznamenanými typy buněk byly buňky, které měly fyzický vzhled kardiomyocytů, vykazovaly buněčné markery odpovídající srdečním buňkám a při pozorování pod mikroskopem vykazovaly kontraktilní aktivitu podobnou kardiomyocytům.

V návaznosti na tuto ranou práci Kehat et al. zobrazil strukturální a funkční vlastnosti kardiomyocytů raného stadia u buněk, které se vyvinuly z embryoidních tělísek. Buňky, které mají spontánní kontrakční aktivitu, pozitivně identifikovali pomocí markerů s protilátkami proti těžkému řetězci myozinu, alfa-aktininu, desminu, antinaturietickému proteinu a srdečnímu troponinu – což jsou všechno proteiny, které se nacházejí v srdeční tkáni. Tito badatelé provedli genetickou analýzu těchto buněk a zjistili, že exprimované geny transkripčních faktorů odpovídají kardiomyocytům v raném stadiu. Elektrické záznamy z těchto buněk, změny pohybu vápníkových iontů v buňkách a reakce kontraktility buněk na stimulaci katecholaminovými hormony byly podobné záznamům, změnám a reakcím pozorovaným u raných kardiomyocytů pozorovaných během vývoje savců. Dalším krokem v tomto výzkumu je zjistit, zda lze experimentální důkazy o zlepšení výsledků srdečního infarktu u hlodavců reprodukovat pomocí embryonálních kmenových buněk.

Tyto průlomové objevy na modelech hlodavců představují nové možnosti využití kmenových buněk k opravě poškozeného srdečního svalu. Výsledky výše uvedených studií jsou stále větším důkazem toho, že z dospělých kmenových buněk se může vyvinout více typů buněk, než se původně předpokládalo. V těchto studiích se zdá, že krvetvorné kmenové buňky se mohou vyvinout nejen v krev, ale také v srdeční sval a endotelovou tkáň. Tato schopnost dospělých kmenových buněk, stále častěji označovaná jako “plasticita”, může z těchto dospělých kmenových buněk učinit vhodného kandidáta na opravu srdce. Tyto důkazy však nejsou úplné; populace myších krvetvorných kmenových buněk, které dávají vzniknout těmto náhradním buňkám, nejsou homogenní. Spíše jsou obohaceny o zajímavé buňky prostřednictvím specifických a selektivních stimulačních faktorů, které podporují růst buněk. Původní buněčná populace pro tyto injikované buňky tedy nebyla identifikována a existuje možnost zahrnutí jiných buněčných populací, které by mohly způsobit odmítnutí transplantovaných buněk příjemcem. To je závažný problém, se kterým je třeba se vypořádat v klinických aplikacích, ale v popsaných experimentálních modelech to není tak důležité, protože hlodavci byli vyšlechtěni tak, aby byli geneticky podobní.

Jaké jsou důsledky pro rozšíření výzkumu diferencovaného růstu náhradních tkání pro poškozené srdce? Existují určité praktické aspekty produkce dostatečného množství buněk pro klinické použití. Oprava jednoho poškozeného lidského srdce by pravděpodobně vyžadovala miliony buněk. Jedinečná schopnost embryonálních kmenových buněk replikovat se v kultuře jim může poskytnout výhodu oproti dospělým kmenovým buňkám tím, že poskytují velké množství náhradních buněk v tkáňové kultuře pro účely transplantace. Vzhledem k současnému stavu vědy není jasné, jak by mohly být dospělé kmenové buňky použity k vytvoření dostatečného množství srdečního svalu mimo tělo, aby byla uspokojena poptávka pacientů .

Přestože je mnoho vzrušení, protože vědci nyní vědí, že dospělé a embryonální kmenové buňky mohou opravit poškozenou srdeční tkáň, zbývá ještě zodpovědět mnoho otázek, než bude možné provést klinické aplikace. Například jak dlouho budou náhradní buňky fungovat? Odrážejí výzkumné modely na hlodavcích přesně stav lidského srdce a reakce na transplantaci? Mají tyto nové náhradní kardiomyocyty odvozené z kmenových buněk schopnost vést elektrické signály jako nativní buňky srdečního svalu?

Kmenové buňky mohou sloužit jako základ, na kterém bude postavena budoucí forma “buněčné terapie”. V současných zvířecích modelech ovlivňuje doba mezi poraněním srdce a aplikací kmenových buněk míru regenerace, což má reálné důsledky pro pacienta, který je po srdečním infarktu nepřipravený dopraven na pohotovost. Mohly by být v budoucnu pacientovy buňky odebrány a rozšířeny pro efektivní použití? Případně mohou rizikoví pacienti darovat své buňky předem, čímž by se minimalizovala příprava nutná pro podání buněk? Mohou být tyto kmenové buňky navíc geneticky “naprogramovány” tak, aby migrovaly přímo do místa poranění a okamžitě syntetizovaly srdeční proteiny nezbytné pro proces regenerace? Vyšetřovatelé v současné době využívají kmenové buňky ze všech zdrojů k řešení těchto otázek, čímž poskytují slibnou budoucnost terapiím pro opravu nebo náhradu poškozeného srdce a řešení hlavních národních příčin úmrtí.

1. Beltrami, A.P., Urbanek, K., Kajstura, J., Yan, S.M., Finato, N., Bussani, R., Nadal-Ginard, B., Silvestri, F., Leri, A., Beltrami, C.A., and Anversa, P. (2001). Důkaz, že lidské srdeční myocyty se po infarktu myokardu dělí. N. Engl. J. Med. 344, 1750-1757.
2. Itskovitz-Eldor, J., Schuldiner, M., Karsenti, D., Eden, A., Yanuka, O., Amit, M., Soreq, H., and Benvenisty, N. (2000). Diferenciace lidských embryonálních kmenových buněk do embryoidních tělísek zahrnujících tři zárodečné vrstvy. Mol. Med. 6, 88-95.
3. Jackson, K.A., Majka, S.M., Wang, H., Pocius, J., Hartley, C.J., Majesky, M.W., Entman, M.L., Michael, L.H., Hirschi, K.K., and Goodell, M.A. (2001). Regenerace ischemického srdečního svalu a cévního endotelu dospělými kmenovými buňkami. J. Clin. Invest. 107, 1-8.
4. Kehat, I., Kenyagin-Karsenti, D., Druckmann, M., Segev, H., Amit, M., Gepstein, A., Livne, E., Binah, O., Itskovitz-Eldor, J., and Gepstein, L. (2001). Lidské embryonální kmenové buňky se mohou diferencovat v myocyty zobrazující strukturální a funkční vlastnosti kardiomyocytů. J. Clin. Invest. (v tisku)
5. Kessler, P.D. a Byrne, B.J. (1999). Štěpování myoblastových buněk do srdečního svalu: buněčná biologie a potenciální aplikace. Annu. Rev. Physiol. 61, 219-242.
6. Kocher, A.A., Schuster, M.D., Szabolcs, M.J., Takuma, S., Burkhoff, D., Wang, J., Homma, S., Edwards, N.M., and Itescu, S. (2001). Neovaskularizace ischemického myokardu lidskými angioblasty odvozenými z kostní dřeně zabraňuje apoptóze kardiomyocytů, snižuje remodelaci a zlepšuje srdeční funkci. Nat. Med. 7, 430-436.
7. Lanza, R., osobní sdělení.
8. Orlic, D., osobní sdělení.
9. Orlic, D., Kajstura, J., Chimenti, S., Jakoniuk, I., Anderson, S.M., Li, B., Pickel, J., McKay, R., Nadal-Ginard, B., Bodine, D.M., Leri, A., and Anversa, P. (2001). Buňky kostní dřeně regenerují infarktový myokard. Nature. 410, 701-705.
10. Pittenger, M.F., Mackay, A.M., Beck, S.C., Jaiswal, R.K., Douglas, R., Mosca, J.D., Moorman, M.A., Simonetti, D.W., Craig, S., and Marshak, D.R. (1999). Multilineární potenciál dospělých lidských mezenchymálních kmenových buněk. Science. 284, 143-147.

Kapitola 8 | Obsah | Kapitola 10

Historický obsah: 17. června 2001