Усовершенствованная органоидная система человеческого сердца может быть использована для моделирования эмбрионального развития сердца в условиях, подобных прегестационному диабету, сообщают исследователи в журнале Stem Cell Reports .
Органоиды повторяют признаки врожденного порока сердца, вызванного прегестационным диабетом, обнаруженного у мышей и людей. Результаты также показали, что стресс эндоплазматического ретикулума (ЭР) и дисбаланс липидов являются критическими факторами, способствующими этим расстройствам, которые можно улучшить при воздействии омега-3.
«Новая органоидная технология на основе стволовых клеток позволит проводить физиологически значимые исследования на людях, что позволит нам обойти модели на животных и получить больше информации о соответствующих механизмах заболеваний, ускоряя открытие лекарств и их медицинский перевод», — говорит старший автор исследования Айтор Агирре из штата Мичиган. Университет.
Врожденный порок сердца является наиболее распространенным типом врожденного порока развития у человека. Прегестационный диабет – диабет, поражающий мать до и во время первого триместра беременности – является важным фактором, способствующим врожденным порокам сердца, и присутствует у значительной, растущей популяции женщин с диабетом репродуктивного возраста.
У новорожденных от матерей с прегестационным диабетом риск врожденных пороков сердца может быть увеличен в 12 раз. К сожалению, прегестационный диабет трудно контролировать клинически из-за чувствительности развивающегося эмбриона к колебаниям уровня глюкозы, и он представляет собой критическую проблему для здоровья матери и плода.
В этом видео показана трехмерная конфокальная реконструкция поверхности органоида: кровеносные сосуды показаны зеленым цветом, а кардиомиоциты - красным. Синий — ядра клеток. Кредит: Бретт Волмерт
Ограниченный доступ к тканям человека для исследования ранних стадий заболеваний привел к чрезмерному использованию моделей на животных. Но остается неясным, в какой степени модели на грызунах воспроизводят аномалии, присутствующие у людей, учитывая важные видовые различия в размере сердца, физиологии сердца, электрофизиологии и биоэнергетике.
Кроме того, модели на грызунах и многие модели клеток in vitro основаны на агрессивных диабетических состояниях, что приводит к преувеличенным характеристикам, которые могут не иметь клинического значения.
«Достижения в области биотехнологии и биоинженерии позволяют создавать человеческие мини-органы in vitro», — говорит Агирре. «Эти мини-органы в настоящее время можно использовать для лучшего понимания болезней человека без недостатков животных моделей».
В новом исследовании Агирре и его команда использовали усовершенствованную модель органоида сердца, полученную из плюрипотентных стволовых клеток человека. Эта модель воспроизводит развитие сердца человека в первом триместре, включая такие важные этапы, как формирование камер, васкуляризация, организация сердечной ткани и соответствующие типы сердечных клеток.
Чтобы конкретно смоделировать последствия прегестационного диабета, исследователи модифицировали условия культивирования, чтобы точно отражать зарегистрированные физиологические уровни глюкозы и инсулина у пациентов.
Полученные в результате органоиды сердца при прегестационном диабете (PGDHO) приобрели особенности, наблюдавшиеся в предыдущих исследованиях на мышах и людях. Например, органоиды сердца диабетического человека были крупнее, что указывает на признаки гипертрофии сердца — первого признака прегестационного диабета у матери. Это наблюдение было подтверждено изучением размеров кардиомиоцитов.
У PGDHO также наблюдались аритмии и снижение частоты ударов, что наблюдалось у новорожденных крыс от матерей с диабетом. Кроме того, одноклеточный транскриптомный анализ PGDHO выявил снижение количества кардиомиоцитов, значительное разрастание ткани на внешней поверхности сердца и отсутствие хорошо развитой сосудистой сети на ранних стадиях развития.
Это полное изображение органоида со структурой, напоминающей желудочек внизу (красный: кардиомиоциты) и структурой, подобной проэпикарду, вверху (зеленый: WT1). Фото: Александра Костина, к.ф.н.
PGDHO также продемонстрировали повышенное накопление активных форм кислорода (АФК), что выявило повышенный окислительный стресс и набухание митохондрий, что также является признаком диабетических эмбриональных заболеваний сердца.
Значительная часть АФК была локализована в ЭР и могла нарушать его функцию, что приводило к состоянию, известному как стресс ЭР. Более того, PGDHO выявил явный дисбаланс жирных кислот с очень длинной цепью , особенно затрагивающий полиненасыщенные жирные кислоты омега-3, которые в основном синтезируются в ЭР.
В совокупности эти результаты указывают на серьезный ER-индуцированный липидный дисбаланс в PGDHO. Этот дисбаланс связан с деградацией десатуразы жирных кислот 2 (FADS2) — ключевого фермента биосинтеза липидов, присутствующего в ЭР, — посредством IRE1-зависимого пути распада мРНК (RIDD), который участвует в ряде других сердечных заболеваний.
Пытаясь устранить последствия стресса ER, исследователи протестировали несколько потенциально терапевтических соединений на PGDHO. Смесь омега-3 жирных кислот улучшила симптомы диабета, а воздействие на инозитол-требующий фермент 1 (IRE1) уменьшило гипертрофию кардиомиоцитов. Все соединения также восстановили уровни FADS2.
«У органоидов все еще отсутствуют некоторые важные особенности, такие как внешняя васкуляризация и тракт оттока, а также лучшее формирование камер, поэтому мы все еще можем упускать из виду важные аспекты врожденных пороков сердца и диабетической кардиомиопатии», — говорит Агирре.
«С одной стороны, мы хотим сотрудничать с врачами, чтобы установить эффективность и безопасность наших результатов у беременных женщин. С другой стороны, мы хотим применить нашу органоидную модель к другим состояниям, влияющим на врожденные пороки сердца , чтобы мы могли улучшить жизнь женщин. эти дети в будущем».