Клетки сердца, «выращенные» в компьютере, похожи по поведению на настоящие сердечные клетки.

Сердечная мышца состоит в основном из кардиомиоцитов, особых мышечных клеток, которые сокращаются, получив импульс от проводящей системы сердца. Эта система, в свою очередь, состоит из другой разновидности клеток, которые генерируют ритмичные импульсы и рассылают их в строго определенном порядке по предсердиям и желудочкам.

Кардиомиоциты (красным) и фибробласты (зеленым) из сердца эмбриона курицы. (Фото: arboreus / Flickr.com.)

Кардиомиоциты (желтым и оранжевым) и фибробласты (синим) в четырех экспериментальных культурах – порознь, в монослое, с нановолонками и без. (Иллюстрация: МФТИ.)

Но кардиомиоциты и клетки проводящей системы – еще не все. В сердце вообще можно найти много разных типов клеток, среди которых есть и соединительнотканные фибробласты. Они выполняют много разных вспомогательных функций, но вот электрические сигналы они не проводят.

И если фибробластов станет много, то электрические волны начнут распространяться по сердечной мышце не так, как раньше, и не так, как нужно. Ритм сокращений нарушается – в таких случаях говорят, что из-за фиброза (то есть из-за нарастания соединительной ткани) развивается аритмия. А аритмия опасна как для самого сердца, так и для всего организма в целом.

Наблюдать за развитием фиброзной аритмии вживую невозможно, но зато можно попытаться предсказать, как поведет себя сердечная мышца с учетом ее клеточного строения. Исследователи из Московского физико-технического института и Гентского университета сравнили, как растут клетки сердца – кардиомиоциты и фибробласты – в совместной культуре.

Клетки растили четырьмя разными способами: в одном случае они не контактировали друг с другом, в другом случае – образовывали плотный монослой (то есть клетки росли в один слой в плотном соседстве с окружающими), а в третьем и четвертом варианте клеточную культуру снабжали нановолокнами. В сердце клетки расположены не абы как, они вытянуты в определенном направлении, и электрические импульсы распространяются по-разному в зависимости от того, идут ли они вдоль клеток или под каким-то углом поперек.

В сердечной ткани вытягиваться клеткам помогает межклеточное вещество – матрикс; в эксперименте нановолокна как раз должны были имитировать его так, чтобы клетки вытянулись. И с нановолокнами тоже клетки сажали либо так, чтобы они не контактировали друг с другом, либо чтобы они формировали плотный монослой.

Зачем нужны были такие разные виды клеточной культуры? Сейчас развитие живых тканей можно описывать с помощью математических моделей; но если мы хотим пользоваться какой-то моделью для того, чтобы оценить вероятность какой-то патологии, или просто для того, чтобы изучать нормальное сердце, нужно знать, что модель адекватно описывает рост именно этих клеток в разных условиях.

Для этого и потребовались четыре культуры: с учетом полученных данных одну из моделей удалось оптимизировать так, чтобы она точно описывала совместный рост кардиомиоцитов и фибробластов в разных условиях. В руках у исследователей оказалось что-то вроде «виртуального сердца» – точнее, не сердца целиком, но слоя сердечной мышцы.

Оставалось выяснить, будет ли такой виртуальный слой не только расти, но и работать так, как настоящие клетки. Сначала все четыре варианта совместно выращенных кардиомиоцитов с фибробластами стимулировали электрическим током, измеряя распространение волн по клеточной культуре. Разумеется, импульсы разбегались по-разному в зависимости от того, как росли клетки – плотно, неплотно, без нановолокон или вытянутыми на нановолокнах.

Виртуальный кусочек сердца тоже стимулировали виртуальным током, и в статье в Scientific Reports авторы пишут, что виртуальные кардиомиоциты с фибробластами вели себя точно так же, как настоящие – а это значит, что модель вполне соответствует действительности.

Распространение волн на сердечных тканях моделировали и раньше, но те модели, что разрабатывали раньше, были достаточно простые – они, например, не учитывали форму клеток, да и фибробласты в них располагались случайным образом. Но реальные кардиомиоциты и фибробласты, как мы сказали, особым образом взаимодействуют друг с другом, группируются друг с другом и приобретают сложную форму.

Новая модель принимает во внимание и форму клеток, и межклеточные взаимодействия, и потому более походит на настоящую сердечную ткань. По словам Константина Агладзе, руководителя лаборатории биофизики возбудимых систем МФТИ, о чьих исследованиях в области тканевой инженерии сердца мы неоднократно рассказывали, с помощью новой модели можно научиться предсказывать вероятность развития аритмии, варьируя условия формирования сердечной ткани.

С другой стороны, в модель пока еще не включали некоторые другие важные факторы, которые могут влиять на работу сердца, например, деление и миграция клеток. Кроме того, настоящее сердце – это объемный орган, а модель – двумерный слой, и чтобы она сильнее была похожа на сердце, чтобы с ее помощью можно было точнее изучать различные сердечные аномалии, его трехмерной структуре нужно придать третье измерение.