Heart attacks and congestive heart failure remain among the Nation’s most prominent health challenges despite many breakthroughs in cardiovascular medicine. W rzeczywistości, pomimo skutecznych metod zapobiegania lub ograniczania chorób układu krążenia, przywrócenie funkcji uszkodzonego serca pozostaje trudnym wyzwaniem. Najnowsze badania dostarczają wczesnych dowodów na to, że dorosłe i zarodkowe komórki macierzyste mogą być w stanie zastąpić uszkodzone komórki mięśnia sercowego i stworzyć nowe naczynia krwionośne, które będą je zaopatrywać. Omówiono tutaj niektóre z ostatnich odkryć, które charakteryzują strategie wymiany komórek macierzystych i regeneracji mięśni w celu naprawy uszkodzonego serca.

Wprowadzenie

Dla osób cierpiących na powszechne, ale śmiertelne choroby serca, biologia komórek macierzystych stanowi nową granicę medyczną. Naukowcy pracują nad wykorzystaniem komórek macierzystych do zastąpienia uszkodzonych komórek serca i dosłownego przywrócenia funkcji serca.

Dzisiaj w Stanach Zjednoczonych zastoinowa niewydolność serca – nieefektywne pompowanie serca spowodowane utratą lub dysfunkcją komórek mięśnia sercowego – dotyka 4,8 miliona ludzi, z 400 000 nowych przypadków każdego roku. Jednym z głównych czynników przyczyniających się do rozwoju tego schorzenia jest atak serca, znany w medycynie jako zawał mięśnia sercowego, który co roku występuje u prawie 1,1 miliona Amerykanów. Łatwo zauważyć, że upośledzenie serca i układu krążenia stanowi główną przyczynę zgonów i niepełnosprawności w Stanach Zjednoczonych .

Co prowadzi do tych niszczących skutków? Zniszczenie komórek mięśnia sercowego, znanych jako kardiomiocyty, może być wynikiem nadciśnienia tętniczego, przewlekłej niewydolności w dopływie krwi do mięśnia sercowego spowodowanej chorobą wieńcową lub zawału serca, nagłego zamknięcia naczynia krwionośnego dostarczającego tlen do serca. Pomimo postępu w zakresie zabiegów chirurgicznych, mechanicznych urządzeń wspomagających, terapii lekowej i przeszczepów narządów, ponad połowa pacjentów z zastoinową niewydolnością serca umiera w ciągu pięciu lat od postawienia diagnozy. Badania wykazały, że terapie, takie jak leki rozbijające skrzepy, mogą przywrócić przepływ krwi do uszkodzonych obszarów serca i ograniczyć śmierć kardiomiocytów. Naukowcy poszukują obecnie sposobów na uratowanie dodatkowych istnień ludzkich poprzez zastosowanie komórek zastępujących martwe lub uszkodzone komórki, tak aby osłabiony mięsień sercowy mógł odzyskać swoją moc pompowania.

Jaką rolę mogą odegrać komórki macierzyste w naprawie serca? Aby odpowiedzieć na to pytanie, naukowcy budują swoją bazę wiedzy o tym, jak komórki macierzyste są kierowane, aby stać się wyspecjalizowanymi komórkami. Jednym z ważnych typów komórek, które mogą zostać rozwinięte, jest kardiomiocyt, komórka mięśnia sercowego, która kurczy się, aby wyrzucić krew z głównej komory pompującej serca (komory). Dwa inne typy komórek są ważne dla prawidłowo funkcjonującego serca: śródbłonek naczyniowy, który tworzy wewnętrzną wyściółkę nowych naczyń krwionośnych, oraz komórki mięśni gładkich, które tworzą ścianę naczyń krwionośnych. Serce ma duże zapotrzebowanie na przepływ krwi, a te wyspecjalizowane komórki są ważne dla rozwoju nowej sieci tętnic, aby doprowadzić składniki odżywcze i tlen do kardiomiocytów po uszkodzeniu serca. Potencjalna zdolność zarówno embrionalnych, jak i dorosłych komórek macierzystych do przekształcania się w te typy komórek w uszkodzonym sercu jest obecnie badana jako część strategii przywracania funkcji serca osobom, które przeszły zawał lub cierpią na zastoinową niewydolność serca. Ważne jest, aby praca z komórkami macierzystymi nie była mylona z ostatnimi doniesieniami, że ludzkie miocyty sercowe mogą ulegać podziałom komórkowym po zawale mięśnia sercowego. Praca ta sugeruje, że uszkodzone komórki serca mogą przejść ze stanu spoczynku do aktywnego podziału komórkowego. Nie różni się to od zdolności wielu innych komórek w organizmie, które zaczynają się dzielić po urazie. Nadal nie ma dowodów na to, że w sercu znajdują się prawdziwe komórki macierzyste, które mogą się rozmnażać i różnicować.

Badacze wiedzą obecnie, że w wysoce specyficznych warunkach wzrostu w naczyniach do hodowli laboratoryjnej, komórki macierzyste mogą być nakłaniane do rozwoju jako nowe kardiomiocyty i komórki śródbłonka naczyniowego. Naukowcy są zainteresowani wykorzystaniem tej zdolności w celu zapewnienia tkanki zastępczej dla uszkodzonego serca. Takie podejście ma ogromne zalety w porównaniu z przeszczepem serca, szczególnie w świetle niedostatku serc dawców dostępnych do zaspokojenia obecnych potrzeb transplantacyjnych.

Jakie są dowody na to, że takie podejście do przywracania funkcji serca może działać? W laboratorium badawczym badacze często wykorzystują mysi lub szczurzy model zawału serca do badania nowych metod leczenia (patrz Rycina 9.1. Model zawału mięśnia sercowego u gryzoni). Aby wywołać atak serca u myszy lub szczura, wokół głównego naczynia krwionośnego obsługującego mięsień sercowy umieszcza się podwiązkę, pozbawiając w ten sposób kardiomiocyty dopływu tlenu i składników odżywczych. W ciągu ostatniego roku badacze wykorzystujący takie modele dokonali kilku kluczowych odkryć, które wzbudziły zainteresowanie zastosowaniem dorosłych komórek macierzystych do naprawy mięśnia sercowego w zwierzęcych modelach chorób serca.

Figure 9.1. Rodent Model of Myocardial Infarction.

(© 2001 Terese Winslow, Lydia Kibiuk)

Ostatnio Orlic i współpracownicy donieśli o eksperymentalnym zastosowaniu krwiotwórczych komórek macierzystych do regeneracji tkanek w sercu. W tym badaniu, atak serca został wywołany u myszy poprzez podwiązanie głównego naczynia krwionośnego, lewej głównej tętnicy wieńcowej. Dzięki identyfikacji unikalnych markerów powierzchni komórkowej, badacze wyizolowali wyselekcjonowaną grupę dorosłych pierwotnych komórek szpiku kostnego o wysokiej zdolności do przekształcania się w komórki wielu typów. Po wstrzyknięciu do uszkodzonej ściany komory, komórki te doprowadziły do powstania nowych kardiomiocytów, śródbłonka naczyniowego i komórek mięśni gładkich, generując w ten sposób miokardium de novo, w tym tętnice wieńcowe, tętniczki i naczynia włosowate. Nowo powstały mięsień sercowy zajmował 68 procent uszkodzonej części komory dziewięć dni po przeszczepieniu komórek szpiku kostnego, w efekcie zastępując martwy mięsień sercowy żywą, funkcjonującą tkanką. Naukowcy odkryli, że myszy, które otrzymały przeszczepione komórki przeżyły w większej liczbie niż myszy z zawałem serca, które nie otrzymały mysich komórek macierzystych. Obecnie prowadzone są dalsze eksperymenty mające na celu wydłużenie czasu analizy po przeszczepie, aby określić dalekosiężne skutki takiej terapii. Częściowa naprawa uszkodzonego mięśnia sercowego sugeruje, że przeszczepione mysie hematopoetyczne komórki macierzyste zareagowały na sygnały w środowisku w pobliżu uszkodzonego mięśnia sercowego. Komórki migrowały do uszkodzonego regionu komory, gdzie namnażały się i stawały się “wyspecjalizowanymi” komórkami, które wydawały się być kardiomiocytami.

Drugie badanie, przeprowadzone przez Jacksona i wsp. wykazało, że tkanka sercowa może być regenerowana w mysim modelu ataku serca poprzez wprowadzenie dorosłych komórek macierzystych z mysiego szpiku kostnego. W tym modelu badacze oczyścili “boczną populację” hematopoetycznych komórek macierzystych z genetycznie zmienionego szczepu myszy. Komórki te zostały następnie przeszczepione do szpiku śmiertelnie napromieniowanych myszy na około 10 tygodni przed tym, jak myszy-biorcy zostały poddane atakowi serca poprzez podwiązanie innego głównego naczynia krwionośnego serca, lewej przedniej zstępującej (LAD) tętnicy wieńcowej. W dwa do czterech tygodni po wywołanym urazie serca, wskaźnik przeżycia wynosił 26 procent. Podobnie jak w przypadku badania Orlic i wsp., analiza obszaru otaczającego uszkodzoną tkankę u myszy, które przeżyły, wykazała obecność kardiomiocytów i komórek śródbłonka pochodzących od dawcy. Tak więc, mysie krwiotwórcze komórki macierzyste przeszczepione do szpiku kostnego zareagowały na sygnały w uszkodzonym sercu, migrowały do regionu granicznego uszkodzonego obszaru i różnicowały się w kilka typów tkanek potrzebnych do naprawy serca. Badanie to sugeruje, że mysie krwiotwórcze komórki macierzyste mogą być dostarczane do serca poprzez przeszczep szpiku kostnego, jak również poprzez bezpośrednie wstrzyknięcie do tkanki sercowej, zapewniając w ten sposób kolejną możliwą strategię terapeutyczną dla regeneracji zranionej tkanki sercowej.

Więcej dowodów na potencjalne terapie oparte na komórkach macierzystych dla chorób serca dostarczają badania, które wykazały, że ludzkie dorosłe komórki macierzyste pobrane ze szpiku kostnego są w stanie dać początek komórkom śródbłonka naczyniowego po przeszczepieniu ich szczurom. Podobnie jak w badaniu Jacksona, badacze ci wywołali atak serca poprzez podwiązanie tętnicy wieńcowej LAD. Dołożyli oni wszelkich starań, aby zidentyfikować populację ludzkich krwiotwórczych komórek macierzystych, które dają początek nowym naczyniom krwionośnym. Te komórki macierzyste wykazują plastyczność, co oznacza, że stają się typami komórek, którymi normalnie by nie były. Komórki te wykorzystano do utworzenia nowych naczyń krwionośnych w uszkodzonym obszarze serca szczurów oraz do pobudzenia proliferacji wcześniej istniejących naczyń krwionośnych po eksperymentalnym ataku serca.

Podobnie jak mysie komórki macierzyste, te ludzkie krwiotwórcze komórki macierzyste można w odpowiednich warunkach hodowli indukować do różnicowania się w liczne typy tkanek, w tym w mięsień sercowy (patrz Rysunek 9.2. Naprawa mięśnia sercowego za pomocą dorosłych komórek macierzystych). Po wstrzyknięciu do krwiobiegu prowadzącego do uszkodzonego serca szczura, komórki te zapobiegły śmierci przerośniętych lub zgrubiałych, ale żywotnych komórek mięśnia sercowego i zredukowały postępujące tworzenie się włókien kolagenowych i blizn. Szczury kontrolne, które przeszły operację z nienaruszoną tętnicą wieńcową LAD, jak również szczury z podwiązaną LAD, którym wstrzyknięto sól fizjologiczną lub komórki kontrolne, nie wykazały wzrostu liczby naczyń krwionośnych. Ponadto, komórki hematopoetyczne mogły być identyfikowane na podstawie wysoce specyficznych markerów komórkowych, które odróżniały je od komórek prekursorowych kardiomiocytów, umożliwiając wykorzystanie tych komórek samodzielnie lub w połączeniu ze strategiami regeneracji miocytów lub terapiami farmakologicznymi. (Więcej na temat markerów komórek macierzystych można znaleźć w Dodatku E.i. Jak badacze wykorzystują markery do identyfikacji komórek macierzystych?)

Ryc. 9.2. Naprawa mięśnia sercowego za pomocą dorosłych komórek macierzystych

(© 2001 Terese Winslow, Lydia Kibiuk)

Nowe, ekscytujące postępy w regeneracji kardiomiocytów są osiągane w badaniach nad ludzkimi embrionalnymi komórkami macierzystymi. Ze względu na ich zdolność do różnicowania się w każdy typ komórek w organizmie dorosłego człowieka, embrionalne komórki macierzyste są kolejną możliwą populacją źródłową dla komórek naprawczych serca. Pierwszy krok w tym kierunku został podjęty przez Itskovitz-Eldor i wsp., którzy wykazali, że ludzkie embrionalne komórki macierzyste mogą w sposób powtarzalny różnicować się w hodowli w ciała embrionalne składające się z typów komórek pochodzących z trzech embrionalnych warstw zarodkowych. Wśród różnych typów komórek odnotowano komórki, które miały fizyczny wygląd kardiomiocytów, wykazywały markery komórkowe zgodne z komórkami serca i wykazywały aktywność skurczową podobną do kardiomiocytów, gdy obserwowano je pod mikroskopem.

W kontynuacji tej wczesnej pracy, Kehat i wsp. wykazali strukturalne i funkcjonalne właściwości kardiomiocytów wczesnego stadium w komórkach, które rozwijają się z ciałek zarodkowych. Komórki, które mają spontaniczną aktywność kurczliwą są pozytywnie identyfikowane przez użycie markerów z przeciwciałami do łańcucha ciężkiego miozyny, alfa-aktyniny, desminy, białka antynaturietowego i troponiny sercowej – wszystkie białka znalezione w tkance sercowej. Badacze przeprowadzili analizę genetyczną tych komórek i stwierdzili, że geny czynnika transkrypcyjnego wyrażone są zgodne z wczesnym stadium kardiomiocytów. Nagrania elektryczne z tych komórek, zmiany w ruchu jonów wapnia wewnątrz komórek, oraz reaktywność skurczowa na stymulację hormonem katecholaminowym przez komórki były podobne do nagrań, zmian i reaktywności widzianych we wczesnych kardiomiocytach obserwowanych podczas rozwoju ssaków. Następnym krokiem w tych badaniach jest sprawdzenie, czy eksperymentalne dowody na poprawę wyniku ataku serca u gryzoni mogą być odtworzone przy użyciu embrionalnych komórek macierzystych.

Te przełomowe odkrycia w modelach gryzoni przedstawiają nowe możliwości wykorzystania komórek macierzystych do naprawy uszkodzonego mięśnia sercowego. Wyniki omawianych powyżej badań stanowią coraz liczniejsze dowody na to, że dorosłe komórki macierzyste mogą przekształcać się w więcej typów komórek niż początkowo sądzono. W tych badaniach, hematopoetyczne komórki macierzyste wydają się być zdolne do rozwoju nie tylko w krew, ale także w mięsień sercowy i tkankę śródbłonkową. Ta zdolność dorosłych komórek macierzystych, coraz częściej określana mianem “plastyczności”, może sprawić, że staną się one realnym kandydatem do naprawy serca. Jednak dowody te nie są pełne; populacje mysich krwiotwórczych komórek macierzystych, które dają początek tym zastępczym komórkom, nie są jednorodne. Są one raczej wzbogacone o komórki zainteresowania poprzez specyficzne i selektywne czynniki stymulujące, które promują wzrost komórek. Tak więc, pochodząca populacja komórek dla tych wstrzykniętych komórek nie została zidentyfikowana i istnieje możliwość włączenia innych populacji komórek, które mogłyby spowodować odrzucenie przez biorcę przeszczepionych komórek. Jest to główny problem, z którym należy się zmierzyć w zastosowaniach klinicznych, ale nie jest on tak istotny w opisanych tutaj modelach eksperymentalnych, ponieważ gryzonie zostały wyhodowane tak, aby były genetycznie podobne.

Jakie są implikacje dla rozszerzenia badań nad zróżnicowanym wzrostem tkanek zastępczych dla uszkodzonych serc? Istnieją pewne praktyczne aspekty produkcji wystarczającej liczby komórek do zastosowania klinicznego. Naprawa jednego uszkodzonego ludzkiego serca wymagałaby prawdopodobnie milionów komórek. Unikalna zdolność embrionalnych komórek macierzystych do replikacji w hodowli może dać im przewagę nad dorosłymi komórkami macierzystymi, zapewniając dużą liczbę komórek zastępczych w hodowli tkankowej do celów transplantacyjnych. Biorąc pod uwagę obecny stan nauki, nie jest jasne, w jaki sposób dorosłe komórki macierzyste mogłyby być wykorzystywane do generowania wystarczającej ilości mięśnia sercowego poza organizmem, aby zaspokoić zapotrzebowanie pacjentów .

Although there is much excitement because researchers now know that adult and embryonic stem cells can repair damaged heart tissue, many questions remain to be answered before clinical applications can be made. Na przykład, jak długo będą funkcjonować komórki zastępcze? Czy modele badawcze stosowane na gryzoniach dokładnie odzwierciedlają stan ludzkiego serca i reakcje na przeszczep? Czy te nowe zastępcze kardiomiocyty pochodzące z komórek macierzystych mają zdolność przewodzenia sygnałów elektrycznych jak rodzime komórki mięśnia sercowego?

Komórki macierzyste mogą służyć jako podstawa, na której zostanie zbudowana przyszła forma “terapii komórkowej”. W obecnych modelach zwierzęcych, czas pomiędzy uszkodzeniem serca a zastosowaniem komórek macierzystych wpływa na stopień regeneracji, co ma realne implikacje dla pacjenta, który jest pędzony nieprzygotowany na izbę przyjęć w następstwie ataku serca. Czy w przyszłości komórki pacjenta mogłyby być pobierane i rozszerzane w celu wykorzystania w efektywny sposób? Alternatywnie, czy zagrożeni pacjenci mogą oddać swoje komórki z wyprzedzeniem, minimalizując w ten sposób przygotowania niezbędne do podania komórek? Ponadto, czy te komórki macierzyste mogą być genetycznie “zaprogramowane” do migracji bezpośrednio do miejsca urazu i natychmiastowej syntezy białek serca niezbędnych w procesie regeneracji? Badacze wykorzystują obecnie komórki macierzyste ze wszystkich źródeł, aby odpowiedzieć na te pytania, zapewniając w ten sposób obiecującą przyszłość dla terapii naprawiających lub zastępujących uszkodzone serce i zajmujących się głównymi przyczynami zgonów w kraju.

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). Evidence that human cardiac myocytes divide after myocardial infarction. 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). Differentiation of human embryonic stem cells into embryoid bodies comprising the three embryonic germ layers. 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). Regeneration of ischemic cardiac muscle and vascular endothelium by adult stem cells. 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). Human embryonic stem cells can differentiate into myocytes portraying cardiomyocytic structural and functional properties. J. Clin. Invest. (in press)
5. Kessler, P.D. and Byrne, B.J. (1999). Myoblast cell grafting into heart muscle: cellular biology and potential applications. 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). Neovascularization of ischemic myocardium by human bone-marrow-derived angioblasts prevents cardiomyocyte apoptosis, reduces remodeling and improves cardiac function. Nat. Med. 7, 430-436.
7. Lanza, R., komunikacja osobista.
8. Orlic, D., komunikacja osobista.
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). Bone marrow cells regenerate myocardium infarcted. 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). Multilineage potential of adult human mesenchymal stem cells. Science. 284, 143-147.

Rozdział 8 | Spis treści | Rozdział 10

Treść historyczna: 17 czerwca 2001

.