Вчені створили тривимірну модель «серця на чипі» (HOC), яка може стати проривом у боротьбі з провідною причиною смерті у світі – серцево-судинними захворюваннями.
Одна з головних проблем полягає в тому, що ми не можемо легко перевірити реакцію людського серця на ліки чи захворювання, не наражаючи людей на ризик. Ця штучно створена серцева тканина б'ється самостійно, мобілізує кальцій для запуску м'язової активності та передбачувано реагує на поширені ліки.
Це перша модель, в якій використовується платформа з двома датчиками, що забезпечує відстеження активності в реальному часі по всій тканині серця аж до клітинного рівня.
У нещодавній статті, яка була опубліковано у журналі Nano Micro Smal, вчені з кількох канадських установ описують, як вони досягли цього «значного прогресу у тканинній інженерії серця та фармакологічних дослідженнях».
Ключовим досягненням тут є інтеграція датчиків, здатних виявляти як макро-, так і мікромасштабну серцеву активність. Як наявні платформи HOC, так і попередня версія дослідницької групи, описана в статті 2024 року, не мають високоточного датчика на клітинному рівні.
Дрібномасштабне зондування має життєво важливе значення, оскільки багато серцево-судинних захворювань (ССЗ) пов'язані з дисфункцією кардіоміоцитів - окремих скорочувальних клітин, що утворюють серцеву м'язову тканину, або міокард. В результаті вимірювання клітинної функції має вирішальне значення для запобігання серцевій недостатності у пацієнтів із ССЗ.
Для створення своїх HOC дослідники отримали клітини серцевого м'яза та клітини серцевої сполучної тканини від щурів. Вони помістили ці клітини в гелеподібну матрицю, багату на фіброзні білки та поживні речовини, для стимуляції росту, а потім висадили їх на крихітні гнучкі кремнієві чипи.
Дослідники вбудували у свої HOC два типи датчиків. Для виміру макроскопічних сил вони помістили створені тканини серця між двома еластичними стовпчиками. Ці стовпчики деформуються з кожним серцебиттям і величина деформації відповідає силі скорочення по всій тканині.
Дослідники також занурили у тканину гнучкі мікросенсори на основі гідрогелю. Деформація цих крихітних крапель, середній розмір яких становить лише 50 мікрометрів (0,002 дюйма), дозволяє зафіксувати локальні механічні напруги на клітинному рівні.
Це важливий крок на шляху до тестування патологій in vitro, оскільки сили, що генеруються клітинами, визначають долю серцевих тканин, включаючи їх формування, ремоделювання, ефективність скорочення, загоєння ран та прогресування раку.
Тестування in vitro також допоможе в розробці фармакологічних методів лікування. Тому дослідники оцінили можливість використання своїх HOC для скринінгу лікарських засобів, обробивши їх двома добре вивченими сполуками.
Перший - норадреналін. Він активує реакцію організму «бий або біжи» і використовується в охороні здоров'я для підвищення серцевої активності та підтримання артеріального тиску, у тому числі під час зупинки серця.
Для перевірки протилежного ефекту та зниження скорочувальної активності дослідники також застосували блебістатин, інгібітор м'язової активності.
Препарати спрацювали, як і очікувалося, продемонструвавши, що HOC-технології можуть прогнозувати реакцію серцевої діяльності та серцевого ритму на поширені сполуки.
"Можливість спостерігати за реакцією тканини на різні сполуки в режимі реального часу є значною перевагою для доклінічних розробок і трансляційних досліджень", - говорить провідний автор Алі Мусаві, біомедичний інженер з Університету Монреаля.
Далі дослідники планують змоделювати конкретні захворювання, створюючи тканини серця з використанням клітин пацієнтів, які страждають на різні серцеві захворювання. До них відносяться дилатаційна кардіоміопатія, часте генетичне захворювання серцевого м'яза, яке може призводити до серцевої недостатності, а також аритмії – група захворювань, що спричиняють порушення серцевого ритму.
У довгостроковій перспективі HOC-технології можуть допомогти лікарям вибирати методи лікування, використовуючи тести, які проводяться на власних клітинах пацієнта, перш ніж призначати ліки.
"Цей прорив ще більше наближає нас до істинно справного здоров'я", - робить висновок старший автор Хоуман Саводжі, інженер-механік і біомедичний інженер з Монреальського університету, - "даючи нам можливість визначати найбільш ефективні ліки для кожної людини ще до того, як буде призначено лікування".
