Экзосомы стволовых клеток восстанавливают поврежденное сердце у мышей

Более десяти лет назад исследователи продемонстрировали, что все клетки секретируют крошечные пузырьки (экзосомы), связанные с транспортом молекул и передачей информации между клетками. Теперь американские ученые научились управлять экзосомами, секретируемыми стволовыми клетками, и использовать их для стимулирования самовосстановления поврежденного сердца. Результаты их исследования были опубликованы в ведущем журнале в области сердечно-сосудистых исследований Circulation Research.

По словам руководителя исследования, специалиста в области изучения стволовых клеток, доктора Раджа Кишора (Raj Kishore), директора Программы Терапии Стволовыми Клетками в Центре Трансляционной Медицины (Stem Cell Therapy Program at the Center for Translational Medicine) при Медицинской Школе Темпльского Университета (Temple University School of Medicine, TUSM, США), полученные данные имеют большое значение для разработки методов регенерации сердечной мышцы. «Вы можете значительно увеличить способность сердца к самовосстановлению без использования стволовых клеток. Результаты нашего исследования демонстрируют уникальный способ регенерации сердца с помощью пузырьков, секретируемых эмбриональными стволовыми клетками», – говорит доктор Кишор. Научная группа также начинает исследование, направленное на выяснение того, какие именно компоненты пузырьков ответственны за восстановление поврежденной ткани.

Сердце, несмотря на свою функциональную надежность, обладает ограниченными регенерационными возможностями . Когда происходит повреждение сердечной мышцы во время инфаркта, сердце не может заменить погибшие клетки и вырастить новые. Вместо этого оно компенсирует потерянную насосную способность. Эта компенсация дается высокой ценой: сердце становится большим и дряблым, а сила его сокращений ослабевает. Только в США застойная сердечная недостаточность становится причиной одной из девяти смертей, а заболевания сердца являются ведущей причиной смерти населения.

Заболевания сердца всегда казались проблемой, разрешить которую должна развивающаяся научная область – терапия стволовыми клетками. Исследователи надеялись, что стволовые клетки, полученные из эмбрионов или взрослых тканей, будут способствовать самовосстановлению сердца. Стволовые клетки обладают уникальными свойствами: они плюрипотентны, (могут превратиться в любой тип клеток в организме) и они постоянно размножаются. Несколько научных групп уже провели клинические испытания на пациентах, перенесших инфаркт миокарда, во время которых пострадавшим вводили в сердце стволовые клетки. Ученые надеялись, что клетки приживутся и создадут новую сердечную мышцу. Однако, по словам доктора Кишора, они получили отрицательные результаты. «Известно, что если ввести сотни стволовых клеток в орган, то вам очень повезет, если на следующий день хотя бы две введенные клетки будут найдены в этом органе. Они умирают», – говорит Кишор.

Еще одна проблема применения плюрипотентных стволовых клеток заключается в риске, который они представляют для человеческого организма. Из-за способности превращаться в любой тип клеток, стволовые клетки могут создать особый тип опухоли, называемый тератомой. Эта опухоль представляет собой массу клеток, относящихся к различным типам тканей. Доктор Кишор, изучив последние достижения в области биологии рака, разработал подход, позволяющий избежать этого риска. Исследователи в области онкологии продемонстрировали, что выделяемые клетками во внеклеточное пространство крошечные пузырьки, или экзосомы, передают информацию от первичной опухоли к отдаленным метастазам. Ученые выяснили, что практически все типы клеток секретируют экзосомы. Доктор Кишор и его исследовательская команда начали изучать экзосомы стволовых клеток. Их задачей было выяснить, помогут ли экзосомы решить проблему восстановления сердца.

В 2011 г. исследовательская команда под руководством доктора Кишора опубликовала результаты своего исследования, в котором впервые изучались экзосомы стволовых клеток и восстановление сердца, что превратило эту научную команду в пионеров в области изучения экзосом и их использования в терапии заболеваний сердца. Новая статья, опубликованная исследовательской командой под руководством доктора Кишора, содержит их новый вклад в изучение экзосом и восстановление поврежденного сердца.

В новом исследовании была использована модель инфаркта миокарда на мышах. В организм мышей, переживших инфаркт, вводили экзосомы эмбриональных стволовых клеток либо фибробластов. Мыши, которым вводили экзосомы фибробластов, служили в качестве контрольной группы. Функция сердца мышей, которые пережили инфаркт и которым вводили экзосомы из эмбриональных стволовых клеток, улучшилась, по сравнению с контрольной группой. Больше мышечных клеток сердца пережили инфаркт, а рубцовая ткань сердца была выражена в меньшей степени. Меньше клеток сердца перешли в стадию запрограммированной клеточной гибели, или апоптоза. В группе животных, которым вводили экзосомы стволовых клеток, возникло больше капилляров вокруг области повреждения, что позволило улучшить кровообращение и доставку кислорода к сердечной мышце. Более того, наблюдалось заметное увеличение числа клеток-предшественниц сердечной мышцы, то есть, собственных стволовых клеток сердца. Они выжили и дали начало новым клеткам сердца. В экспериментальной группе сердцебиение было более сильным, по сравнению с контрольной группой, а размеры патологического расширения, компенсирующего повреждение тканей, было минимальным.

Затем исследователи оценили эффект действия микроРНК miR-294 – самой распространенной молекулы, регулирующей работу генов и находящейся в экзосомах стволовых клетках. Введение miR-294 в стволовые клетки сердца в лабораторных условиях имитирует многие из эффектов, которые наблюдались в случае доставки в клетки непосредственно экзосом. «В значительной степени одна микроРНК может воспроизвести действие всей экзосомы. Но нельзя однозначно утверждать, что она ответственна за все эффекты, поскольку экзосомы эмбриональных стволовых клеток содержат много других микроРНК», – говорит доктор Кишор.

Будущие исследования будут направлены на изучение терапии экзосомами и использование специфичных микроРНК для восстановления сердца у крупных животных, а потом у человека во время проведения клинических испытаний.

По материалам Temple University Health System

Оригинальная статья:
M. Khan, E. Nickoloff, T. Abramova, J. Johnson, S. K. Verma, P. Krishnamurthy, A. R. Mackie, E. Vaughan, V. N. Garikipati, C. L. Benedict, V. Ramirez, E. Lambers, A. Ito, E. Gao, S. Misener, G. Qin, T. S. Luongo, J. W. Elrod, S. R. Houser, W. J. Koch, R. Kishore. Embryonic Stem Cell-Derived Exosomes Promote Endogenous Repair Mechanisms and Enhance Cardiac Function Following Myocardial Infarction. Circulation Research, 2015; DOI: 10.1161/CIRCRESAHA.117.305990