В настоящее время клеточная терапия считается одним из перспективных подходов в лечении пациентов, перенесших инфаркт миокарда [1-3]. Трансплантации некоторых видов клеток-предшественниц после инфаркта миокарда у человека показали, что трансплантированные клетки не только вносят вклад в посттравматическую регенерацию сердечной мышцы, но и стимулируют процесс образования новых кардиомиоцитов из эндогенных тканевых и циркулирующих в кровотоке прогениторных клеток, принимающих активное участие в процессе регенерации [4-8]. Тем не менее, такой подход, обеспечивая коррекцию структуры и функции органа после повреждения, не может гарантировать предотвращение повторного инфаркта. Иными словами, клеточная терапия до настоящего времени рассматривалась исследователями и клиницистами исключительно в лечебных, но не в профилактических целях.
Научная группа под руководством S. Yamada впервые задалась вопросом о том, насколько экзогенные эмбриональные стволовые клетки (ЭСК) могут влиять на восприимчивость к инфаркту миокарда и посттравматические репаративные процессы, будучи трансплантированными задолго до развития патологии на самых ранних этапах развития организма. При планировании своих экспериментов исследователи основывались на результатах более ранней работы, где было показано, что трансплантация аллогенных ЭСК в бластоцисты мышей с летальной мутацией в одном из генов, ответственных за развитие сердца, приводит к выживанию эмбрионов до момента рождения, в то время как без трансплантации ЭСК такие эмбрионы гибнут в середине периода гестации [9]. Тем не менее, до сегодняшнего дня оставалось неизвестным, насколько трансплантация ЭСК может повлиять на восприимчивость к кардиологическим заболеваниям у взрослых животных, не имеющих генетических дефектов.
В своих экспериментах исследователи использовали бластоцисты до стадии имплантации, полученные от мышей линии C57BL/6J. В бластоцисты инъецировали ЭСК линии ROSA26, конститутивно экспрессирующие маркерный трансген (β-галактозидазу). Было показано, что вводимые ЭСК успешно встраиваются во внутреннюю клеточную массу бластоцист. Полученные химерные бластоцисты реимплантировали самкам мышей и оценивали эффекты трансплантации ЭСК на физиологию развившегося из них потомства, а также на устойчивость химерных животных к инфаркту миокарда. Исследователи показали, что клетки, дифференцировавшиеся из трансплантированных ЭСК, присутствуют в тканях развившихся из бластоцист животных, в том числе в их миокарде. Интересно отметить, что рост химерных мышей в сравнении с животными из контрольной группы (интактные мыши линии C57BL/6J) значительно ускорялся, и к 8 месяцам развития их вес превышал вес животных из группы контроля в 1,5 раза. Это происходило благодаря излишним отложениям у химерных животных подкожного и висцерального жира, что, тем не менее, не было ассоциировано у них с повышенным давлением и склонностью к диабету.
У животных из контрольной и экспериментальной групп не отличались эхокардиографические характеристики сердечной деятельности, а также анатомические характеристики сердца, включая вес органа и расположение коронарных артерий. Когда возраст животных достигал 12-14 месяцев, им проводилось моделирование инфаркта миокарда путем перевязки передней ветви левой коронарной артерии. Результаты наблюдений за восстановлением животных оказались ошеломляющими. После перевязки артерии смертность в группе контроля достигала 41%, в то время как среди химерных животных она составляла 0%. После повреждения в сердце животных из контрольной группы начинался процесс разрастания зоны акинеза, в то время как у химерных животных сердечная деятельность стремительно восстанавливалась. Спустя месяц после операции у химерных животных полностью восстанавливалось нормальное анатомическое и гистологическое строение поврежденной стенки левого желудочка, а также электрофизиологические параметры сердечной деятельности. В миокарде химерных животных не отмечалось признаков фиброза, а иммуногистохимическое окрашивание гистологических срезов ткани показало, что в миокарде после инфаркта резко возрастает количество пролиферирующих клеток, экспрессирующих ядерный маркер Ki67, а также маркеры стволовых клеток c-Kit и Sca-1. У химерных животных не развивалось хронической левожелудочковой недостаточности. Восстановление состояния животных было подтверждено функциональными тестами на беговой дорожке (treadmill-тест).
У животных из группы контроля подобного не происходило: у них, напротив, развивалась тяжелая хроническая сердечная недостаточность, обусловленная фиброзным перерождением стенки левого желудочка, ее истончением и связанным с этим патологическим расширением желудочка. Пролиферация клеток-предшественниц в миокарде контрольных животных оставалась на низком уровне, что и явилось причиной невозможности восстановления структуры сердечной мышцы. Угнетение сердечной деятельности приводило к застою жидкости в легких и их отеку. Результаты функциональных тестов (время бега в treadmill-тесте и переносимость нагрузок), показанные мышами из контрольной группы, также были в разы хуже, чем у химерных животных.
Авторы работы считают, что в будущем трансплантация экзогенных ЭСК в бластоцисты человека может стать методом профилактики кардиологических заболеваний. Тем не менее, эта работа оставляет гораздо больше вопросов, чем ответов, и ее трудно назвать доклиническим исследованием возможностей применения стволовых клеток для профилактики инфаркта миокарда. Основным вопросом остается механизм, лежащий в основе полученного результата. Указывая на повышение количества делящихся прогениторных клеток в миокарде химерных животных после инфаркта в сравнении с животными из контрольной группы, исследователи не проверяют экспрессии маркерного трансгена ЭСК в клетках-предшественницах кардиомиоцитов. По этой причине происхождение активно делящихся клеток в миокарде остается неясным. Также S. Yamada и его коллеги показали, что в организме химерных животных, за счет обнаруженной у них избыточной жировой ткани, содержится в 2-3 раза больше мультипотентных мезенхимальных стромальных клеток (ММСК), чем у животных из группы контроля. Известно, что данные клетки способны мигрировать в зоны повреждения миокарда и принимать участие в регенерации ткани, а многочисленные исследования трансплантации ММСК после инфаркта миокарда продемонстрировали й положительный эффект клеточной терапии [10-12].
Тем не менее, авторы работы, упоминая про ММСК, не указывают, несли ли данные клетки маркерный трансген трансплантированных аллогенных ЭСК и принимали ли они участие в регенерации сердечной мышцы у химерных животных. Поэтому вряд ли возможно связать устойчивость к инфаркту миокарда с увеличением количества ММСК в организме химерных животных, обусловленное трансплантацией ЭСК в бластоцисту. Если бы клетки-предшественницы кардиомиоцитов и ММСК в организме химерных животных несли в себе маркерный трансген, можно бы было заключить, что введние в бластоцисту экзогенных ЭСК приводит к тому, что в организме животного к моменту взросления образуется больше, чем в норме, стволовых элементов – тканеспецифических стволовых клеток, ведущих свое происхождение от ЭСК [13].
Мыши линии ROSA26 не являются менее восприимчивыми к инфаркту миокарда, чем мыши линии C57BL/6J [14], однако специальных исследований, направленных на выяснение этого факта, не проводилось. По этой причине устойчивость к инфаркту миокарда у химер вряд ли может быть объяснена характеристиками конкретной линии ЭСК, которые передаются химерным животным.
Следует отметить очевидные минусы работы, не позволяющие с уверенностью строить гипотезы о механизмах полученного эффекта: во-первых, количество химерных животных, полученных исследователями, составляло всего 7 штук, причем в статистической оценке параметров сердечной деятельности, гистологическом и морфометрическом анализе учитывались данные, полученные по 3-4 животным. Приведенные в статье иллюстрации, демонстрирующие изменение сократительной функции сердца экспериментальных животных в динамике после перевязки передней левой коронарной артерии, демонстрируют, что у химерных животных инфаркт фактически не развивался. Возможно, это связано с особенностями кровоснабжения сердца химерных животных – при оценке сосудистой сети в сердце животных авторы ограничились осмотром расположения основных коронарных артерий, не уделив внимания возможному присутствию мелких коллатеральных сосудов. Фотографии гистологических препаратов сердца химерных животных через 1 месяц после индукции инфаркта демонстрируют картину интактного сердца без каких-либо следов процессов репарации, что также косвенно указывает на то, что у химерных животных после перевязки передней ветви левой коронарной артерии инфаркт не развивался. Более хорошо развитая кровеносная система органа у химерных животных в сравнении с контрольными также могла бы послужить объяснением их устойчивости к перевязке коронарной артерии и быстрого восстановления их нормального состояния.
Можно предположить, что трансплантация ЭСК в бластоцисту должна оказывать влияние не только на постинфарктную репарацию, но на более эффективное восстановление состояния организма после самых разнообразных травматических повреждений. Тем не менее, на данный момент эта работа – единственная в своем роде, и на ее основе сложно рассуждать о возможности подобного эффекта. Также в исследовании не была оценена общая продолжительность жизни химерных животных в сравнении с животными из группы контроля без индукции экспериментального инфаркта миокарда. В то же время, это крайне интересно, поскольку могло бы выявить возможные побочные эффекты трансплантации ЭСК в бластоцисту на онтогенез развившегося из нее организма.
Литература
1. Segers V.F., Lee R.T. Stem-cell therapy for cardiac disease. Nature 2008; 451: 937-42. [Abstract]
2. Wu S.M., Chien K.R., Mummery C. Origins and fates of cardiovascular progenitor cells. Cell 2008; 132: 637-43. [Full Text]
3. Dimmeler S., Leri A. Aging and disease as modifiers of efficacy of cell therapy. Circ. Res. 2008; 102: 1319-30. [Full Text]
4. Quaini F., Urbanek K., Beltrami A.P. et al. Chimerism of the transplanted heart. N. Engl. J. Med. 2002; 346: 5-15. [Full text]
5. Kajstura J., Hosoda T., Bearzi C. et al. The human heart: A self-renewing organ. Clin. Translat. Sci. 2008; 1: 80-6. [Abstract]
6. Deb A., Wang S., Skelding K.A. et al. Bone marrow-derived cardiomyocytes are present in adult human heart: A study of gender-mistmatched bone marrow transplantation patients. Circulation 2003; 107: 1247-9. [Full Text]
7. Kubo H., Jaleel N., Kumarapeli A. et al. Increased cardiac myocyte progenitors in failing human hearts. Circulation 2008; 118: 649-57. [Full Text]
8. Rupp S., Koyanagi M., Iwasaki M. et al. Characterization of long-term endogenous cardiac repair in children after heart transplantation. Eur. Heart J. 2008; 29: 1867-72. [Full Text]
9. Fraidenraich D., Stillwell E., Romero E. et al. Rescue of cardiac defects in id knockout embryos by injection of embryonic stem cells. Science 2004; 306: 247-52. [Abstract]
10. Joggerst S.J., Hatzopolous A.K. Stem cell therapy for cardiac repair: benefits and barriers. Expert. Rev. Mol. Med. 2009; 11: e20. [Abstract]
11. Madonna R., Geng Y.J., De Caterina R. Adipose tissue-derived stem cells. Characterization and potential for cardiovascular repair. Arterioscler. Thromb. Vasc. Biol. 2009; in print. [Abstract]
12. Sensebé L., Krampera M., Schrezenmeier H. et al. Mesenchymal stem cells for clinical application. Vox Sang. 2009; in print.
13. Otto A., Collins-Hooper H., Patel K. The origin, molecular regulation and therapeutic potential of myogenic stem cell populations. J. Anat. 2009; in print. [Abstract]
14. Barandon L., Couffinhal T., Dufourcq P. et al. Repair of myocardial infarction by epicardial deposition of bone-marrow-cell-coated muscle patch in a murine model. Ann. Thorac. Surg. 2004; 78: 1409-17. [Full Text]
Источник: Клеточная трансплантология и тканевая инженерия по материалам: Yamada S., Nelson T.J., Behfar A. et al. Stem cell transplant into pre-implantation embryo yields myocardial infarction-resistant adult phenotype. Stem Cells 2009; in print.
