A szívroham és a pangásos szívelégtelenség a szív- és érrendszeri orvostudomány számos áttörése ellenére továbbra is a nemzet legjelentősebb egészségügyi kihívásai közé tartozik. Valójában a szív- és érrendszeri betegségek megelőzésére vagy korlátozására irányuló sikeres megközelítések ellenére a károsodott szív működésének helyreállítása továbbra is óriási kihívást jelent. A legújabb kutatások első bizonyítékokkal szolgálnak arra, hogy a felnőtt és embrionális őssejtek képesek lehetnek a sérült szívizomsejtek pótlására és az azokat ellátó új erek létrehozására. Az itt tárgyalt legújabb felfedezések közül néhányat, amelyek a sérült szív helyreállítására szolgáló őssejtpótlási és izomregenerációs stratégiákat mutatnak be.

Bevezetés

A gyakori, de halálos szívbetegségekben szenvedők számára az őssejtbiológia új orvosi határt jelent. A kutatók azon dolgoznak, hogy őssejtekkel pótolják a károsodott szívsejteket és szó szerint helyreállítsák a szívműködést.

Most az Egyesült Államokban 4,8 millió embert érint a pangásos szívelégtelenség – a szívnek a szívizomsejtek elvesztése vagy diszfunkciója által okozott hatástalan pumpálása -, és évente 400 000 új eset fordul elő. Az állapot kialakulásának egyik fő oka a szívroham, orvosi nevén a szívinfarktus, amely évente közel 1,1 millió amerikait érint. Könnyen belátható, hogy a szív és a keringési rendszer károsodása a halálozás és a rokkantság egyik fő oka az Egyesült Államokban .

Mi vezet ezekhez a pusztító hatásokhoz? A szívizomsejtek, az úgynevezett kardiomiociták pusztulása lehet a magas vérnyomás, a szívizom vérellátásának krónikus elégtelensége, amelyet a koszorúér-betegség okoz, vagy szívroham, a szív oxigénellátását biztosító ér hirtelen elzáródása. A sebészeti eljárások, a mechanikus segédeszközök, a gyógyszeres terápia és a szervátültetés terén elért fejlődés ellenére a pangásos szívelégtelenségben szenvedő betegek több mint fele az első diagnózistól számított öt éven belül meghal. A kutatások kimutatták, hogy az olyan terápiák, mint a vérrögoldó gyógyszerek helyreállíthatják a véráramlást a szív károsodott régióiban, és korlátozhatják a szívizomsejtek pusztulását. A kutatók most azt vizsgálják, hogyan lehetne további életeket megmenteni az elhalt vagy károsodott sejtek pótlásával, hogy a legyengült szívizom visszanyerje pumpáló erejét.

Hogyan játszhatnak szerepet az őssejtek a szív helyreállításában? Ennek a kérdésnek a megválaszolásához a kutatók építik tudásbázisukat arról, hogy az őssejtek hogyan irányulnak arra, hogy specializált sejtekké váljanak. Az egyik fontos sejttípus, amelyet ki lehet fejleszteni, a kardiomiocita, az a szívizomsejt, amely összehúzódik, hogy a vért kilökje a szív fő pumpakamrájából (a kamrából). Két másik sejttípus fontos a szív megfelelő működéséhez: az érendothelsejt, amely az új erek belső bélését alkotja, és a simaizomsejt, amely az erek falát alkotja. A szívnek nagy igénye van a véráramlásra, és ezek a speciális sejtek fontosak az új érhálózat kialakításában, hogy a szív sérülése után tápanyagot és oxigént juttassanak a szívizomsejtekhez. Most azt vizsgálják, hogy mind az embrionális, mind a felnőtt őssejtek képesek-e a sérült szívben ezeknek a sejttípusoknak a kifejlődésére, a szívinfarktuson átesett vagy pangásos szívelégtelenségben szenvedő emberek szívműködésének helyreállítására irányuló stratégia részeként. Fontos, hogy az őssejtekkel végzett munka ne keveredjen össze azokkal a közelmúltbeli jelentésekkel, amelyek szerint az emberi szívizomsejtek szívinfarktus után sejtosztódáson mehetnek keresztül. Ez a munka arra utal, hogy a sérült szívsejtek nyugalmi állapotból aktív sejtosztódásba léphetnek. Ez nem különbözik a szervezet számos más sejtjének képességétől, amelyek sérülés után osztódni kezdenek. Még mindig nincs bizonyíték arra, hogy a szívben valódi őssejtek vannak, amelyek képesek szaporodni és differenciálódni.

A kutatók ma már tudják, hogy laboratóriumi tenyészcsészékben, nagyon specifikus növekedési feltételek mellett az őssejtek rávehetők arra, hogy új kardiomiocitákká és érrendszeri endotélsejtekké fejlődjenek. A tudósokat az érdekli, hogy ezt a képességet kihasználva pótolni tudják a sérült szívet. Ez a megközelítés óriási előnyökkel jár a szívátültetéssel szemben, különösen annak fényében, hogy a jelenlegi transzplantációs igények kielégítésére kevés donorszív áll rendelkezésre.

Milyen bizonyítékok vannak arra, hogy a szívműködés helyreállításának ilyen megközelítése működhet? A kutatólaboratóriumban a kutatók gyakran használják a szívroham egér- vagy patkánymodelljét az új terápiák tanulmányozására (lásd a 9.1. ábrát: A szívinfarktus rágcsálómodellje). Az egér vagy patkány szívrohamának előidézéséhez a szívizmot ellátó egyik fő véredény köré kötőszalagot helyeznek, ezáltal megfosztva a szívizomsejteket az oxigén- és tápanyagellátástól. Az elmúlt év során az ilyen modelleket használó kutatók számos kulcsfontosságú felfedezést tettek, amelyek felkeltették az érdeklődést a felnőtt őssejtek alkalmazása iránt a szívizom helyreállítására a szívbetegségek állatmodelljeiben.

9.1. ábra. A szívinfarktus rágcsálómodellje.

(© 2001 Terese Winslow, Lydia Kibiuk)

A közelmúltban Orlic és munkatársai beszámoltak a vérképző őssejtek kísérleti alkalmazásáról a szív szöveteinek regenerálására. Ebben a vizsgálatban egerekben szívrohamot idéztek elő az egyik fő ér, a bal fő koszorúér elzárásával. Az egyedi sejtfelszíni markerek azonosítása révén a kutatók ezután izolálták a felnőtt primitív csontvelősejtek egy kiválasztott csoportját, amelyek nagymértékben képesek többféle típusú sejtekké fejlődni. Amikor ezeket a sejteket a kamra sérült falába injektálták, új kardiomiociták, érendothelium és simaizomsejtek kialakulásához vezettek, így de novo szívizomzatot hoztak létre, beleértve a koszorúereket, arteriolákat és kapillárisokat is. Az újonnan képződött szívizomzat kilenc nappal a csontvelősejtek beültetése után a kamra sérült részének 68 százalékát foglalta el, így az elhalt szívizomzatot valójában élő, működő szövetekkel helyettesítették. A kutatók megállapították, hogy a transzplantált sejteket kapott egerek nagyobb számban éltek túl, mint azok a szívinfarktusos egerek, amelyek nem kapták meg az egér őssejteket. Most nyomon követési kísérleteket végeznek a transzplantáció utáni elemzési idő meghosszabbítására, hogy meghatározzák az ilyen terápia hosszabb távú hatásait . A sérült szívizom részleges helyreállítása arra utal, hogy a transzplantált egér vérképző őssejtek reagáltak a sérült szívizom közelében lévő környezet jelzéseire. A sejtek a kamra sérült régiójába vándoroltak, ahol szaporodtak és “specializált” sejtekké váltak, amelyek kardiomiocitáknak tűntek.

A második tanulmány, amelyet Jackson és munkatársai végeztek , kimutatta, hogy a szívszövet egér szívroham modellben egér csontvelőből származó felnőtt őssejtek bevitelével regenerálható. Ebben a modellben a kutatók egy genetikailag módosított egértörzsből tisztították a vérképző őssejtek “mellékpopulációját”. Ezeket a sejteket aztán halálosan besugárzott egerek csontvelőjébe ültették át körülbelül 10 héttel azelőtt, hogy a recipiens egereket szívrohamnak vetették alá egy másik fő szívverőér, a bal elülső leszálló koszorúér (LAD) elzárásával. Az előidézett szívsérülés után két-négy héttel a túlélési arány 26 százalék volt. Az Orlic és munkatársai tanulmányához hasonlóan a túlélő egereknél a sérült szövetet körülvevő régió elemzése donorból származó kardiomiociták és endothelsejtek jelenlétét mutatta ki. A csontvelőbe transzplantált egér vérképző őssejtek tehát reagáltak a sérült szív jelzéseire, a sérült terület határvidékére vándoroltak, és a szív helyreállításához szükséges többféle szövettípussá differenciálódtak. Ez a tanulmány azt sugallja, hogy az egér vérképző őssejtek csontvelő-átültetéssel, valamint a szívszövetbe történő közvetlen befecskendezéssel is eljuttathatók a szívbe, így egy másik lehetséges terápiás stratégiát biztosítva a sérült szívszövet regenerálására.

A szívbetegségek lehetséges őssejt-alapú terápiáira további bizonyítékot szolgáltat egy tanulmány, amely kimutatta, hogy a csontvelőből vett emberi felnőtt őssejtek képesek érrendszeri endotélsejteket létrehozni, ha patkányokba transzplantálják őket . A Jackson-tanulmányhoz hasonlóan ezek a kutatók is szívrohamot idéztek elő a LAD koszorúér lekötésével. Nagy gondot fordítottak az emberi vérképző őssejtek azonosítására, amelyek új ereket hoznak létre. Ezek az őssejtek plaszticitást mutatnak, ami azt jelenti, hogy olyan sejttípusokká válnak, amilyenek normális esetben nem lennének. A sejteket arra használták, hogy új ereket képezzenek a patkányok szívének sérült területén, és hogy a kísérleti szívrohamot követően ösztönözzék a már meglévő érrendszer proliferációját.

Az egér őssejtekhez hasonlóan ezek az emberi vérképző őssejtek is megfelelő tenyésztési körülmények között számos szövettípussá, köztük szívizommá differenciálódhatnak (lásd a 9.2. ábrát: Szívizomjavítás felnőtt őssejtekkel). Amikor ezeket a sejteket a sérült patkányszívhez vezető véráramba injektálták, megakadályozták a hipertrófiás vagy megvastagodott, de egyébként életképes szívizomsejtek elhalását, és csökkentették a kollagénrostok és hegek progresszív kialakulását. Az ép LAD koszorúérrel műtött kontrollpatkányok, valamint a sóoldattal vagy kontrollsejtekkel injektált LAD-ligált patkányok nem mutattak növekedést az erek számában. Továbbá, a vérképző sejteket nagyon specifikus sejtmarkerek alapján lehetett azonosítani, amelyek megkülönböztetik őket a kardiomiocita prekurzor sejtektől, ami lehetővé teszi, hogy a sejteket önmagukban vagy a miocita-regenerációs stratégiákkal vagy farmakológiai terápiákkal együtt lehessen használni. (Az őssejtmarkerekről bővebben lásd az E.i. függelékben: Hogyan használnak a kutatók markereket az őssejtek azonosítására?)

9.2. ábra. Szívizom-javítás felnőtt őssejtekkel

(© 2001 Terese Winslow, Lydia Kibiuk)

A humán embrionális őssejtek kutatásában izgalmas új eredmények születtek a szívizomsejtek regenerációja terén. Mivel az embrionális őssejtek képesek a felnőtt szervezet bármely sejttípusává differenciálódni, az embrionális őssejtek a szívgyógyító sejtek másik lehetséges forráspopulációját jelentik. Az első lépést ebben az alkalmazásban Itskovitz-Eldor és munkatársai tették meg, akik kimutatták, hogy a humán embrionális őssejtek reprodukálhatóan képesek kultúrában a test három embrionális csírarétegéből származó sejttípusokból álló embrioid testekké differenciálódni. A különböző sejttípusok között olyan sejteket figyeltek meg, amelyek a kardiomiociták fizikai megjelenését mutatták, a szívsejteknek megfelelő sejtmarkereket mutattak, és mikroszkóp alatt megfigyelve a kardiomiocitákhoz hasonló kontraktilis aktivitást mutattak.

A korai munka folytatásaként Kehat és munkatársai az embriótestekből fejlődő sejtekben a korai stádiumú kardiomiociták strukturális és funkcionális tulajdonságait mutatták ki. A spontán összehúzódási aktivitással rendelkező sejteket a miozin nehézlánc, az alfa-aktinin, a desmin, az antinaturetikus fehérje és a kardiális troponin – mind a szívszövetben megtalálható fehérjék – ellenanyagával ellátott markerek segítségével pozitívan azonosították. Ezek a kutatók genetikai elemzést végeztek ezeken a sejteken, és megállapították, hogy az expresszált transzkripciós faktor gének összhangban vannak a korai stádiumú kardiomiocitákkal. Az ezekből a sejtekből származó elektromos felvételek, a kalciumionok sejteken belüli mozgásának változásai és a sejtek katekolamin hormon stimulációjára való összehúzódási érzékenysége hasonló volt az emlősök fejlődése során megfigyelt korai kardiomiocitákban megfigyelt felvételekhez, változásokhoz és érzékenységhez. A kutatás következő lépése annak vizsgálata, hogy a rágcsálókban a szívinfarktus kimenetelének javulására vonatkozó kísérleti bizonyítékok reprodukálhatók-e embrionális őssejtek felhasználásával.

A rágcsálómodellekben tett ezen áttörő felfedezések új lehetőségeket mutatnak az őssejtek felhasználására a sérült szívizomzat helyreállítására. A fent tárgyalt vizsgálatok eredményei egyre inkább azt bizonyítják, hogy a felnőtt őssejtekből több sejttípus fejlődhet ki, mint azt először gondolták. Úgy tűnik, hogy ezekben a vizsgálatokban a vérképző őssejtek nemcsak vérré, hanem szívizommá és endotélszövetté is képesek fejlődni. A felnőtt őssejteknek ez a képessége, amelyet egyre gyakrabban “plaszticitásnak” neveznek, az ilyen felnőtt őssejteket a szív helyreállításának életképes jelöltjévé teheti. Ez a bizonyíték azonban nem teljes; az e pótló sejteket létrehozó egér vérképző őssejtpopulációk nem homogének. Inkább specifikus és szelektív, a sejtnövekedést elősegítő stimuláló faktorok révén dúsulnak fel a kívánt sejtek számára. Így ezeknek az injektált sejteknek a kiindulási sejtpopulációját nem sikerült azonosítani, és fennáll annak a lehetősége, hogy más sejtpopulációk is bekerülhetnek, ami a recipiensben a transzplantált sejtek kilökődését okozhatja. Ez komoly probléma a klinikai alkalmazásokban, de az itt leírt kísérleti modellekben nem annyira lényeges, mivel a rágcsálókat genetikailag hasonlóra tenyésztették.

Milyen következményekkel jár a sérült szív pótlószöveteinek differenciált növekedésével kapcsolatos kutatások kiterjesztése? A klinikai alkalmazáshoz elegendő számú sejt előállításának van néhány gyakorlati vonatkozása. Egy sérült emberi szív javításához valószínűleg több millió sejtre lenne szükség. Az embrionális őssejteknek a kultúrában való szaporodásra való egyedülálló képessége előnyt jelenthet a felnőtt őssejtekkel szemben, mivel a transzplantációs célú szövetkultúrában nagyszámú pótlósejtet biztosíthat. A tudomány jelenlegi állása szerint nem világos, hogyan lehetne a felnőtt őssejteket arra használni, hogy elegendő szívizmot hozzanak létre a testen kívül a betegek igényeinek kielégítésére .

Noha nagy az izgalom, mert a kutatók most már tudják, hogy a felnőtt és embrionális őssejtek képesek a sérült szívszövetek helyreállítására, a klinikai alkalmazás előtt még sok kérdésre kell választ adni. Például mennyi ideig működnek majd a pótolt sejtek? A rágcsáló kutatási modellek pontosan tükrözik-e az emberi szív állapotát és a transzplantációs reakciókat? Ezek az őssejtekből származó új helyettesítő kardiomiociták rendelkeznek-e a natív szívizomsejtek elektromos jelvezetési képességeivel?

Az őssejtek szolgálhatják azt az alapot, amelyre a “sejtes terápia” jövőbeli formája épül. A jelenlegi állatmodellekben a szív sérülése és az őssejtek alkalmazása közötti idő befolyásolja a regeneráció mértékét, és ennek valós következményei vannak a szívrohamot követően felkészületlenül a sürgősségi osztályra siető betegek számára. A jövőben a páciens sejtjeit hatékonyan lehetne-e begyűjteni és bővíteni a felhasználás céljából? Alternatív megoldásként a veszélyeztetett betegek előre felajánlhatják-e sejtjeiket, így minimalizálva a sejtek beadásához szükséges előkészületeket? Lehet-e továbbá ezeket az őssejteket genetikailag úgy “programozni”, hogy közvetlenül a sérülés helyére vándoroljanak, és azonnal szintetizálják a regenerációs folyamathoz szükséges szívfehérjéket? A kutatók jelenleg minden forrásból származó őssejteket használnak e kérdések megválaszolására, így ígéretes jövőt biztosítva a sérült szív helyreállítására vagy pótlására irányuló terápiáknak, és a nemzet vezető halálozási okainak kezelését.

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. és Anversa, P. (2001). Bizonyíték arra, hogy az emberi szívizomsejtek osztódnak szívinfarktus után. N. Engl. J. Med. 344, 1750-1757.
2. Itskovitz-Eldor, J., Schuldiner, M., Karsenti, D., Eden, A., Yanuka, O., Amit, M., Soreq, H. és Benvenisty, N. (2000). Humán embrionális őssejtek differenciálódása a három embrionális csíraréteget tartalmazó embrioid testekké. 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. és Goodell, M.A. (2001). Az iszkémiás szívizom és az érrendszeri endothelium regenerációja felnőtt őssejtek által. 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. és Gepstein, L. (2001). Az emberi embrionális őssejtek képesek a kardiomiomiocita szerkezeti és funkcionális tulajdonságokat megjelenítő szívizomsejtekké differenciálódni. J. Clin. Invest. (in press)
5. Kessler, P.D. és Byrne, B.J. (1999). Myoblaszt sejtek beültetése szívizomba: sejtbiológia és lehetséges alkalmazások. 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. és Itescu, S. (2001). Az iszkémiás szívizom neovaszkularizációja humán csontvelőből származó angioblastok által megelőzi a kardiomiomyocita apoptózist, csökkenti a remodellinget és javítja a szívműködést. Nat. Med. 7, 430-436.
7. Lanza, R., személyes közlés.
8. Orlic, D., személyes közlés.
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. és Anversa, P. (2001). A csontvelő sejtek regenerálják az infarktusos szívizomzatot. 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. és Marshak, D.R. (1999). A felnőtt humán mesenchymális őssejtek multilineáris potenciálja. Science. 284, 143-147.

8. fejezet | Tartalomjegyzék | 10. fejezet

Történeti tartalom: 2001. június 17.