Поиск - новости науки и техники

Ближе к сердцу. Используя кардиоинженерные методы, ученые творят чудеса.

Недавно в журнале PLOS ONE опубликована статья, в которой говорится, что ученые МФТИ научились контролировать поведение клеток сердечной мышцы с помощью лазерного излучения. По оценкам специалистов, в перспективе это поможет найти способы борьбы с аритмией. О том, какие еще научные горизонты приоткрывает кардиоинженерия, рассказывает в беседе с корреспондентом “Поиска” руководитель лаборатории биофизики возбудимых систем Константин Агладзе.
– Константин Игоревич, вы – признанный ученый, известный во всем мире по предыдущим работам в области выращивания клеток сердечной мышцы. Теперь вот учитесь ими управлять…
– Не просто управлять, а управлять их возбудимостью. У ткани сердечной мышцы две серьезные функции, которые работают на физиологическом уровне, – они сокращаются и могут генерировать и распространять возбуждение, то есть изменять мембранный потенциал. Мы научились регулировать волны возбуждения с помощью веществ, которые обнаружили. Одно из первых выявили еще в моей Киотской лаборатории. Мы работали в области тканевой инженерии сердца, или, упрощая, делали лоскуты сердечной ткани. Сначала использовали так называемую первичную культуру, то есть крысиные клетки. Но задача была – получить человеческие клетки методом перепрограммирования, который только-только был открыт в Японии. Сейчас примерно этим же занимаемся в МФТИ. Свои научные интересы и тематику несколько лет назад я перенес в Россию.
– Как от выращивания клеток вы перешли к поиску возможности ими управлять?
– Это получилось практически случайно. Мой японский сотрудник в Киото обнаружил вещество, которое обладает интересными свойствами (под воздействием света оно может переходить из активной формы в неактивную, то есть с помощью разных длин световой волны его состоянием удается управлять). В одном состоянии оно подавляло возбудимость сердечной ткани, в другом – оставалось инертным. Попытка быстро с этим разобраться в Киото нам не удалась. И только недавно, уже в МФТИ, мы смогли методично и тщательно изучить механизмы этого явления. В опубликованной статье мы с коллегами показали, что наблюдаемый эффект основан на обратимом блокировании ионных каналов в мембране сердечной клетки. 
– Вы использовали лазерное излучение. Почему?
– Лазер хорош тем, что мы не просто включаем-выключаем свет, но можем с его помощью проецировать на сердечную ткань картинку проводящих путей сердца. Возбуждение в таком случае пойдет по тем элементам картинки, которые мы зададим. Это позволяет нам управлять структурой полученной ткани.
– Суть картинки в том, что свет куда-то попадает, куда-то нет?
– Да, куда-то он попадает больше, куда-то меньше, поэтому можно задавать направление распространения возбудимости. Кроме того, если это сгенерированная компьютером картинка, то она дает дополнительную возможность управлять процессом в зависимости от времени. Таким образом, получается очень удобная для нас модель. С ее помощью мы проверяем, что приводит к возникновению в сердечной ткани так называемых аритмий. В данном случае нас больше всего интересуют аритмии, которые связаны с возникновением вращающихся сердечных вихрей. Появление этих вихрей (или спиральных волн) грозит пациенту неприятными последствиями. Поэтому мы хотим понять, почему они возникают и как их убирать. 
– Но на работу сердца, на ту же аритмию оказывают влияние множество факторов. Здесь и волнение, и физические нагрузки, и многое другое…
– Мы же физики, а физики работают не так, как врачи. Мы стараемся упростить систему до какого-то уровня, чтобы выявить законы, которым она подчиняется. Вот и упрощаем сердце до лоскута сердечной ткани, а потом контролируемо повышаем сложность системы. В этом идея. 
– Основной секрет, как я поняла, в веществе. Что оно собой представляет? 
– АзоТАБ – это вещество из класса азобензенов. Его молекула – это два бензольных кольца, соединенных перемычкой из атомов водорода. Под действием ультрафиoлетового излучения бензольные кольца меняют положение друг относительно друга, “складываются”, а под действием видимого света первоначальная конфигурация восстанавливается. Таким образом, молекула азоТАБа может существовать в двух вариантах. Она может находиться в транс-форме (быть вытянутой) или в цис-форме (согнутой). В транс-форме она блокирует возбуждение, а в цис-форме – нет. 
– Откуда известно это волшебное вещество?
– Раньше азобензены использовались для того, чтобы разрыхлять билипидные слои, то есть мембрану. А в сердечную ткань вещество попало случайно. Мой японский сотрудник непонятно из каких соображений опустил в него лоскуток ткани (нежизнеспособной), а потом поставил чашку Петри с этим веществом на аппарат, который излучает ультрафиолет, после чего все вдруг “заработало”. Сердечная ткань ожила и начала сокращаться. Можно было не обратить на это внимания, пройти мимо, а он заинтересовался. С этого все началось, стали разбираться. 
Было известно, что азобензены очень токсичны, они не могут пойти в фармацевтику или лечебную практику. Поэтому мы на Физтехе сделали другое вещество, очень похожее, но практически не токсичное и тоже позволяющее обратимо ингибировать возбуждение в тканях. Я думаю, с этим веществом у нас что-то получится и удастся применять его в реальной лечебной практике. 
Чисто гипотетически расскажу, с чего в Японии начался поиск “очувствляющих” веществ. Есть такая процедура, которая называется “радиообляция”. При аритмии, порождаемой неправильным распространением возбуждения, сердце начинает очень быстро работать. Чтобы избавить пациента от опасной аритмии, необходимо ввести в сердце катетер, найти “паразитный источник” возбуждения, который затем с помощью этого же катетера “выжигают” радиочастотным импульсом. С одной стороны, гениальная операция, но если бы она с первого раза приводила к желаемому результату! Чаще всего приходится делать 5-7 таких выжиганий, и после каждого остаются шрамы, вокруг которых и развиваются затем различные проблемы. Поэтому было бы замечательно уметь обратимо “выключать” участок сердца, чтобы посмотреть, поможет “выжигание” или нет. А уж потом и действовать наверняка. Поэтому и перспективно вещество, которое позволяет переключать участок сердца из активного в неактивное состояние. Вообще-то говоря, блокирует оно натриевые и кальциевые каналы не только у сердечных клеток, но и в нервной ткани. То есть и там можно включать-выключать определенные участки. 
– И мозга тоже?
– Про мозг я в данном случае не говорю, а вот делать обратимую фотоанестезию, причем очень точную (заменяя, например, новокаиновую блокаду), можно. Потребуется посветить куда надо и отключить нужный участок нерва. Причем луч можно сфокусировать на пятнышко меньше размеров клетки. По сути даже отдельные клетки можно отключать таким образом. 
– Какие еще задачи вы решаете в своей лаборатории? 
– У нас два основных направления. Это исследование механизмов аритмий и того, как разные вещества на них влияют. Дальше – выход на тестирование фармакологических агентов на кардиотоксичность и так далее, а экспериментальная модель, которую мы для этого используем, – перепрограммированные человеческие клетки. Работаем мы в сотрудничестве с учеными из Института цитологии и генетики СО РАН и Новосибирского научно-исследовательского института патологии кровообращения им. академика Е.Н.Мешалкина. 
– Почему для экспериментов важно иметь человеческие клетки?
– На крысиных клетках нельзя проверить многие лекарства. Например, очень распространенные сердечные препараты, которые даются людям, не действуют на клетки крыс. Для того чтобы оценить эффективность лекарств, нужно иметь модель, основанную на человеческих клетках. Алгоритм здесь такой: из клеток кожи или крови делаются так называемые индуцированные плюрипотентные клетки, то есть они возвращаются в свое младенческое состояние, из которого затем могут дифференцироваться. Десять лет назад японец Шинья Яманака научился возвращать клетки в плюрипотентное состояние, из которого их можно перепрограммировать в другие. Так, например, удается получить клетки сердечной ткани из клеток кожи. К тому же, находясь в плюрипотентном состоянии, клетки могут размножаться, поэтому даже из небольшого их количества мы можем нарастить достаточный объем, а потом перевести его в ту ткань, которая нам нужна, – сердечную, печеночную, почечную. 
– Можно ли будет вырастить таким образом искусственное сердце?
– Не знаю. В последнее время я начинаю думать, что это и не нужно. Поскольку с инженерной точки зрения сердце – очень сложный орган. Возможно, его и не стоит искусственно выращивать, а проще изготовить из полимерного материала. 
– Часто ученые что-то делают ради научного поиска как такового.
– Это глупость. Такие ученые долго не выживают в современном мире. Должна быть целесообразность. Мифов о научном поиске я наслушался в 1970-1980-х и понял, что чаще всего ими прикрывают некомпетентность. 
– Но ведь можно вырастить другие искусственные органы, печень например? 
– Печень – можно. Подшивается небольшой кусочек, который разрастается затем до нужных размеров. А вот с сердцем возникают огромные проблемы – мы делаем двумерные слои сердечной ткани, можем делать 4-5 слоев, но увеличить их количество не удается. Ведь одновременно должно прорасти сосудистое русло, а иначе клетки окажутся в условиях дикой ишемии и погибнут. Впрочем, недавно мы с нашими коллегами из Новосибирска получили грант РНФ, на средства которого будут выполнены интересные исследования. 
– Что вы собираетесь делать? 
– Попробуем кое-что улучшить в проводящей системе сердца. Сделать сердечную стенку, которая заменит пораженный инфарктом участок, сейчас нереально. А вот проводящую систему усовершенствовать можно.
– Каким образом?
– Бывают ситуации, когда в сердце не функционирует синусный узел. Мы предлагаем процедуру, которая будет его восстанавливать. То есть брать перепрограммированные клетки самого пациента и их специальным образом туда вводить. Это и раньше пытались делать, но неудачно. У нас есть серьезные основания полагать, что та процедура, которую предлагаем мы, сработает. 
– Сравнивая предыдущий опыт работы в зарубежных лабораториях и нынешний, удовлетворены ли вы работой лаборатории на Физтехе? 
– Глобально все получается, но я не думал, что уйдет столько времени. Попытки взаимодействия с партнерами не всегда были удачными. Вокруг лаборатории должна существовать определенная научная среда. Я, например, не специалист в молекулярной биологии. Естественно, я понимаю, что делаю, но, чтобы пробовать новые методы, мне нужны партнеры, интеллектуальная среда, в которой можно что-то обсудить. То, что на Физтехе изначально не была представлена биология, – это нормально, но то, что в Москве мои попытки взаимодействовать с сотрудниками академических институтов оказались безрезультатными, – это удивительно. В итоге партнеров я нашел в Новосибирске.
– О чем думаете, что загадываете на ближайшие 10-15 лет?
– Я думаю, что даже если мы хотя бы половину сделаем из того, что запланировали, то оставим в жизни человечества очень серьезный след. Работа с перепрограммированными клетками, появление новых технологий могут позволить создать в недалеком будущем мини-гомункула, на котором можно будет испытывать лекарственные препараты… Например, сейчас процветают банки пуповинной крови, и люди платят большие деньги за хранение источника стволовых клеток для их детей. Но ни вы, ни я не можем иметь такого “стратегического запаса” просто потому, что прежде такой технологии не существовало. Теперь же выясняется, что это необязательно: и у меня, и у вас можно взять любые клетки, перепрограммировать их и иметь таким образом банк клеток конкретного человека. Вы спросите: зачем? Например, возникли проблемы с сердцем. Можно за несколько недель сделать сердечные клетки и на них подобрать лечение, вместо того чтобы “травить” пациента, пробуя то или иное лекарство. Или человек собирается идти на вредное производство и сомневается, хватит ли на это здоровья. Можно проверить его клетки печени, почек, сердца, и выяснится, стоит ему там работать или через год почки сдадут.
– Сколько лет вы отводите на развитие таких технологий?
– Поскольку принципиально все основные вопросы учеными решены, то многое будет зависеть от финансовой поддержки. Я думаю, в мире это будет сделано в течение ближайших пяти лет.
Беседовала Светлана БЕЛЯЕВА
Фото Николая Степаненкова

Нет комментариев