Infarcturile cardiace și insuficiența cardiacă congestivă rămân printre cele mai importante probleme de sănătate ale națiunii, în ciuda numeroaselor descoperiri în medicina cardiovasculară. De fapt, în ciuda abordărilor de succes pentru prevenirea sau limitarea bolilor cardiovasculare, restabilirea funcției inimii deteriorate rămâne o provocare formidabilă. Cercetările recente oferă primele dovezi că celulele stem adulte și embrionare ar putea fi capabile să înlocuiască celulele musculare cardiace deteriorate și să stabilească noi vase de sânge pentru a le alimenta. Sunt discutate aici unele dintre descoperirile recente care prezintă strategii de înlocuire a celulelor stem și de regenerare a mușchilor pentru repararea inimii deteriorate.

Introducere

Pentru cei care suferă de boli cardiace comune, dar mortale, biologia celulelor stem reprezintă o nouă frontieră medicală. Cercetătorii lucrează în vederea utilizării celulelor stem pentru a înlocui celulele cardiace deteriorate și pentru a restabili literalmente funcția cardiacă.

Astăzi, în Statele Unite, insuficiența cardiacă congestivă – pomparea ineficientă a inimii cauzată de pierderea sau disfuncția celulelor musculare cardiace – afectează 4,8 milioane de persoane, cu 400.000 de cazuri noi în fiecare an. Unul dintre principalii factori care contribuie la dezvoltarea acestei afecțiuni este un atac de cord, cunoscut din punct de vedere medical sub numele de infarct miocardic, care apare la aproape 1,1 milioane de americani în fiecare an. Este ușor de recunoscut că afecțiunile inimii și ale sistemului circulator reprezintă o cauză majoră de deces și invaliditate în Statele Unite ale Americii .

Ce duce la aceste efecte devastatoare? Distrugerea celulelor mușchiului cardiac, cunoscute sub numele de cardiomiocite, poate fi rezultatul hipertensiunii arteriale, a unei insuficiențe cronice în alimentarea cu sânge a mușchiului cardiac cauzată de o boală coronariană, sau a unui atac de cord, închiderea bruscă a unui vas de sânge care alimentează inima cu oxigen. În ciuda progreselor înregistrate în ceea ce privește procedurile chirurgicale, dispozitivele de asistență mecanică, terapia medicamentoasă și transplantul de organe, mai mult de jumătate dintre pacienții cu insuficiență cardiacă congestivă mor în termen de cinci ani de la diagnosticul inițial. Cercetările au arătat că terapiile, cum ar fi medicamentele pentru spargerea cheagurilor, pot restabili fluxul sanguin către regiunile afectate ale inimii și pot limita moartea cardiomiocitelor. Cercetătorii explorează acum modalități de a salva alte vieți prin utilizarea de celule de înlocuire a celulelor moarte sau deteriorate, astfel încât mușchiul cardiac slăbit să își poată recăpăta puterea de pompare.

Cum ar putea juca un rol în repararea inimii celulele stem? Pentru a răspunde la această întrebare, cercetătorii își construiesc baza de cunoștințe despre modul în care celulele stem sunt direcționate pentru a deveni celule specializate. Un tip important de celulă care poate fi dezvoltat este cardiomiocita, celula mușchiului cardiac care se contractă pentru a expulza sângele din camera principală de pompare a inimii (ventriculul). Alte două tipuri de celule sunt importante pentru buna funcționare a inimii: celula endotelială vasculară, care formează căptușeala interioară a noilor vase de sânge, și celula musculară netedă, care formează peretele vaselor de sânge. Inima are o cerere mare de flux sanguin, iar aceste celule specializate sunt importante pentru dezvoltarea unei noi rețele de artere care să aducă nutrienți și oxigen la cardiomiocite după ce inima a fost afectată. Capacitatea potențială atât a celulelor stem embrionare, cât și a celor adulte de a se dezvolta în aceste tipuri de celule în inima deteriorată este acum explorată ca parte a unei strategii de restabilire a funcției cardiace la persoanele care au suferit atacuri de cord sau care au insuficiență cardiacă congestivă. Este important ca activitatea cu celule stem să nu fie confundată cu rapoartele recente conform cărora miocitele cardiace umane ar putea suferi o diviziune celulară după infarctul miocardic . Această lucrare sugerează că celulele cardiace lezate pot trece de la o stare de repaus la o diviziune celulară activă. Acest lucru nu este diferit de capacitatea unei serii de alte celule din organism care încep să se dividă după o leziune. Încă nu există dovezi că în inimă există adevărate celule stem care pot prolifera și se pot diferenția.

Cercetătorii știu acum că, în condiții de creștere foarte specifice în vase de cultură de laborator, celulele stem pot fi convinse să se dezvolte ca noi cardiomiocite și celule endoteliale vasculare. Oamenii de știință sunt interesați să exploateze această capacitate pentru a furniza țesut de înlocuire pentru inima deteriorată. Această abordare are avantaje imense față de transplantul de inimă, în special în lumina penuriei de inimi de donator disponibile pentru a satisface nevoile actuale de transplant.

Ce dovezi există că o astfel de abordare pentru restabilirea funcției cardiace ar putea funcționa? În laboratorul de cercetare, cercetătorii folosesc adesea un model de șoarece sau de șobolan al unui atac de cord pentru a studia noi terapii (a se vedea figura 9.1. Modelul de infarct miocardic la rozătoare). Pentru a crea un atac de cord la un șoarece sau la un șobolan, se plasează o ligatură în jurul unui vas de sânge principal care deservește mușchiul cardiac, privând astfel cardiomiocitele de aportul de oxigen și nutrienți. Pe parcursul ultimului an, cercetătorii care au folosit astfel de modele au făcut mai multe descoperiri cheie care au stârnit interesul pentru aplicarea celulelor stem adulte la repararea mușchiului cardiac în modelele animale de boli cardiace.

Figura 9.1. Modelul rozătoarelor de infarct miocardic.

(© 2001 Terese Winslow, Lydia Kibiuk)

Recent, Orlic și colegii au raportat o aplicație experimentală a celulelor stem hematopoietice pentru regenerarea țesuturilor din inimă. În acest studiu, a fost indus un atac de cord la șoareci prin legarea unui vas de sânge important, artera coronariană principală stângă. Prin identificarea unor markeri unici de suprafață celulară, cercetătorii au izolat apoi un grup select de celule primitive adulte din măduva osoasă cu o capacitate ridicată de a se dezvolta în celule de mai multe tipuri. Atunci când au fost injectate în peretele deteriorat al ventriculului, aceste celule au dus la formarea de noi cardiomiocite, endoteliu vascular și celule musculare netede, generând astfel miocard de novo, inclusiv artere coronare, arteriole și capilare. Miocardul nou format a ocupat 68% din porțiunea deteriorată a ventriculului la nouă zile după ce au fost transplantate celulele de măduvă osoasă, înlocuind, de fapt, miocardul mort cu țesut viu și funcțional. Cercetătorii au constatat că șoarecii care au primit celulele transplantate au supraviețuit în număr mai mare decât șoarecii cu atac de cord care nu au primit celulele stem de șoarece. Experimentele de urmărire sunt acum în curs de desfășurare pentru a extinde timpul de analiză posttransplant pentru a determina efectele pe termen lung ale unei astfel de terapii . Repararea parțială a mușchiului cardiac deteriorat sugerează că celulele stem hematopoietice de șoarece transplantate au răspuns la semnalele din mediul din apropierea miocardului lezat. Celulele au migrat în regiunea deteriorată a ventriculului, unde s-au multiplicat și au devenit celule “specializate” care păreau a fi cardiomiocite.

Un al doilea studiu, realizat de Jackson și colab. , a demonstrat că țesutul cardiac poate fi regenerat în modelul de atac de cord la șoarece prin introducerea de celule stem adulte din măduva osoasă de șoarece. În acest model, cercetătorii au purificat o “populație secundară” de celule stem hematopoietice dintr-o tulpină de șoarece modificată genetic. Aceste celule au fost apoi transplantate în măduva unor șoareci iradiați letal cu aproximativ 10 săptămâni înainte ca șoarecii receptori să fie supuși unui atac de cord prin legarea unui alt vas de sânge important al inimii, artera coronară descendentă anterioară stângă (LAD). La două-patru săptămâni după leziunea cardiacă indusă, rata de supraviețuire a fost de 26 la sută. La fel ca și în cazul studiului realizat de Orlic și alții, analiza regiunii din jurul țesutului lezat la șoarecii supraviețuitori a arătat prezența cardiomiocitelor și a celulelor endoteliale provenite de la donatori. Astfel, celulele stem hematopoietice de șoarece transplantate în măduva osoasă au răspuns la semnalele din inima rănită, au migrat în regiunea limitrofă zonei deteriorate și s-au diferențiat în mai multe tipuri de țesuturi necesare pentru repararea inimii. Acest studiu sugerează că celulele stem hematopoietice de șoarece pot fi livrate în inimă prin transplant de măduvă osoasă, precum și prin injectare directă în țesutul cardiac, oferind astfel o altă posibilă strategie terapeutică pentru regenerarea țesutului cardiac lezat.

O altă dovadă pentru potențiale terapii bazate pe celule stem pentru bolile cardiace este oferită de un studiu care a arătat că celulele stem umane adulte prelevate din măduva osoasă sunt capabile să dea naștere la celule endoteliale vasculare atunci când sunt transplantate la șobolani . Ca și în studiul Jackson, acești cercetători au indus un atac de cord prin legarea arterei coronare LAD. Ei au avut mare grijă să identifice o populație de celule stem hematopoietice umane care dau naștere la noi vase de sânge. Aceste celule stem dau dovadă de plasticitate, ceea ce înseamnă că devin tipuri de celule care nu ar fi fost în mod normal. Celulele au fost folosite pentru a forma noi vase de sânge în zona afectată a inimii șobolanilor și pentru a încuraja proliferarea vaselor preexistente în urma atacului de cord experimental.

Ca și celulele stem de șoarece, aceste celule stem hematopoietice umane pot fi induse, în condiții de cultură adecvate, să se diferențieze în numeroase tipuri de țesut, inclusiv în mușchi cardiac (a se vedea figura 9.2. Repararea mușchiului cardiac cu ajutorul celulelor stem adulte). Atunci când au fost injectate în fluxul sanguin care duce la inima de șobolan deteriorată, aceste celule au prevenit moartea celulelor miocardice hipertrofiate sau îngroșate, dar altfel viabile, și au redus formarea progresivă de fibre de colagen și cicatrici. Șobolanii de control care au fost supuși unei intervenții chirurgicale cu o arteră coronară LAD intactă, precum și șobolanii cu LAD ligaturată, injectați cu soluție salină sau cu celule de control, nu au prezentat o creștere a numărului de vase de sânge. În plus, celulele hematopoietice au putut fi identificate pe baza unor markeri celulare foarte specifici care le diferențiază de celulele precursoare ale cardiomiocitelor, ceea ce permite utilizarea celulelor singure sau împreună cu strategii de regenerare a miocitelor sau cu terapii farmacologice. (Pentru mai multe informații despre markerii celulelor stem, a se vedea Anexa E.i. Cum folosesc cercetătorii markerii pentru a identifica celulele stem?)

Figura 9.2. Repararea mușchiului cardiac cu ajutorul celulelor stem adulte

(© 2001 Terese Winslow, Lydia Kibiuk)

În cercetarea celulelor stem embrionare umane se fac noi progrese incitante în regenerarea cardiomiocitelor. Datorită capacității lor de a se diferenția în orice tip de celule din corpul adult, celulele stem embrionare reprezintă o altă posibilă populație sursă pentru celulele de reparare cardiacă. Primul pas în această aplicație a fost făcut de Itskovitz-Eldor et al. care au demonstrat că celulele stem embrionare umane se pot diferenția în mod reproductibil în cultură în corpuri embrioide alcătuite din tipuri de celule din cele trei straturi germinative embrionare ale corpului. Printre diferitele tipuri de celule observate se numărau celule care aveau aspectul fizic al cardiomiocitelor, prezentau markeri celulari în concordanță cu celulele cardiace și demonstrau o activitate contractilă similară cardiomiocitelor atunci când erau observate la microscop.

În continuarea acestei lucrări timpurii, Kehat et al. au arătat proprietățile structurale și funcționale ale cardiomiocitelor în stadiu incipient în celulele care se dezvoltă din corpurile embrioide. Celulele care au activitate de contracție spontană sunt identificate pozitiv prin utilizarea markerilor cu anticorpi pentru lanțul greu al miozinei, alfa-actinina, desmina, proteina antinaturietică și troponina cardiacă – toate proteine care se găsesc în țesutul cardiac. Acești cercetători au efectuat o analiză genetică a acestor celule și au constatat că genele factorilor de transcripție exprimate sunt în concordanță cu cardiomiocitele în stadiu incipient. Înregistrările electrice de la aceste celule, modificările în mișcarea ionilor de calciu în interiorul celulelor și reacția contractilă la stimularea celulelor cu hormoni catecolamină au fost similare cu înregistrările, modificările și reacțiile observate în cardiomiocitele timpurii observate în timpul dezvoltării mamiferelor. Un pas următor în această cercetare este de a vedea dacă dovezile experimentale de îmbunătățire a rezultatelor atacului de cord la rozătoare pot fi reproduse folosind celule stem embrionare.

Aceste descoperiri revoluționare în modelele de rozătoare prezintă noi oportunități de utilizare a celulelor stem pentru repararea mușchiului cardiac deteriorat. Rezultatele studiilor discutate mai sus reprezintă dovezi din ce în ce mai multe că celulele stem adulte se pot dezvolta în mai multe tipuri de celule decât se credea inițial. În aceste studii, celulele stem hematopoietice par a fi capabile să se dezvolte nu numai în sânge, ci și în mușchi cardiac și țesut endotelial. Această capacitate a celulelor stem adulte, denumită din ce în ce mai des “plasticitate”, ar putea face din aceste celule stem adulte un candidat viabil pentru repararea inimii. Dar aceste dovezi nu sunt complete; populațiile de celule stem hematopoietice de șoarece care dau naștere acestor celule de înlocuire nu sunt omogene. Mai degrabă, ele sunt îmbogățite pentru celulele de interes prin intermediul unor factori de stimulare specifici și selectivi care promovează creșterea celulară. Astfel, populația celulară de origine pentru aceste celule injectate nu a fost identificată și există posibilitatea includerii altor populații celulare care ar putea determina respingerea celulelor transplantate de către primitor. Aceasta este o problemă majoră cu care trebuie să ne confruntăm în aplicațiile clinice, dar nu este la fel de relevantă în modelele experimentale descrise aici, deoarece rozătoarele au fost crescute pentru a fi similare din punct de vedere genetic.

Care sunt implicațiile pentru extinderea cercetării privind creșterea diferențiată a țesuturilor de înlocuire pentru inimile deteriorate? Există unele aspecte practice legate de producerea unui număr suficient de celule pentru aplicații clinice. Repararea unei inimi umane deteriorate ar necesita probabil milioane de celule. Capacitatea unică a celulelor stem embrionare de a se replica în cultură le poate oferi un avantaj față de celulele stem adulte prin furnizarea unui număr mare de celule de înlocuire în cultura de țesuturi în scopul transplantului. Având în vedere stadiul actual al științei, nu este clar cum ar putea fi utilizate celulele stem adulte pentru a genera suficient mușchi cardiac în afara corpului pentru a satisface cererea pacienților .

Deși există mult entuziasm deoarece cercetătorii știu acum că celulele stem adulte și embrionare pot repara țesutul cardiac deteriorat, rămân multe întrebări la care trebuie să se răspundă înainte de a se putea face aplicații clinice. De exemplu, cât timp vor continua să funcționeze celulele de înlocuire? Modelele de cercetare pe rozătoare reflectă cu exactitate condițiile cardiace umane și răspunsurile la transplant? Aceste noi cardiomiocite de înlocuire derivate din celule stem au capacitățile de conducere a semnalelor electrice ale celulelor musculare cardiace native?

Celele stem ar putea foarte bine să servească drept fundație pe care să fie construită o viitoare formă de “terapie celulară”. În modelele animale actuale, timpul dintre rănirea inimii și aplicarea celulelor stem afectează gradul de regenerare, iar acest lucru are implicații reale pentru pacientul care se grăbește nepregătit să ajungă la camera de urgență în urma unui atac de cord. În viitor, ar putea fi recoltate și extinse celulele pacientului pentru a fi utilizate într-un mod eficient? Alternativ, ar putea pacienții cu risc să-și doneze celulele în avans, minimizând astfel pregătirea necesară pentru administrarea celulelor? Mai mult, pot fi aceste celule stem “programate” genetic să migreze direct la locul leziunii și să sintetizeze imediat proteinele cardiace necesare pentru procesul de regenerare? În prezent, cercetătorii folosesc celule stem din toate sursele pentru a răspunde la aceste întrebări, oferind astfel un viitor promițător pentru terapiile de reparare sau de înlocuire a inimii deteriorate și pentru abordarea principalelor cauze de deces ale națiunii.

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., și Anversa, P. (2001). Dovezi că miocitele cardiace umane se divid după infarctul miocardic. N. Engl. J. Med. 344, 1750-1757.
2. Itskovitz-Eldor, J., Schuldiner, M., Karsenti, D., Eden, A., Yanuka, O., Amit, M., Soreq, H., și Benvenisty, N. (2000). Diferențierea celulelor stem embrionare umane în corpuri embrioide care cuprind cele trei straturi germinative embrionare. 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., și Goodell, M.A. (2001). Regenerarea mușchiului cardiac ischemic și a endoteliului vascular de către celulele stem adulte. 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., și Gepstein, L. (2001). Celulele stem embrionare umane se pot diferenția în miocite care prezintă proprietăți structurale și funcționale cardiomiocitare. J. Clin. Invest. (în curs de publicare)
5. Kessler, P.D. și Byrne, B.J. (1999). Grefa de celule mioblaste în mușchiul cardiac: biologie celulară și aplicații potențiale. 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., și Itescu, S. (2001). Neovascularizarea miocardului ischemic de către angioblastele derivate din măduva osoasă umană previne apoptoza cardiomiocitelor, reduce remodelarea și îmbunătățește funcția cardiacă. Nat. Med. 7, 430-436.
7. Lanza, R., comunicare personală.
8. Orlic, D., comunicare personală.
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., și Anversa, P. (2001). Celulele din măduva osoasă regenerează miocardul infarct. 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., și Marshak, D.R. (1999). Potențialul multilineal al celulelor stem mezenchimale umane adulte. Science. 284, 143-147.

Capitolul 8 | Cuprins | Capitolul 10

Contenit istoric: 17 iunie 2001

.