Ткани сердца, созданные человеком

Инженерно-инженерные сердечные ткани человека (hECT) получают путем экспериментального манипулирования плюрипотентными стволовыми клетками, такими как эмбриональные стволовые клетки человека (hESC) и, в последнее время, индуцированные человеком плюрипотентные стволовые клетки (hiPSC) для дифференцировки в кардиомиоциты человека . ^{[ 1 ]}^{[ 2 ]}^{[ 3 ]}^{[ 4 ]}^{[ 5 ]} Интерес к этим биоинженерным сердечным тканям возрос в связи с их потенциальным использованием в сердечно-сосудистых исследованиях и клинической терапии. Эти ткани представляют собой уникальную модель in vitro для изучения физиологии сердца с видоспецифичным преимуществом перед культивируемыми клетками животных в экспериментальных исследованиях. ^{[ 1 ]} ГЕКТ также обладают терапевтическим потенциалом для in vivo . регенерации сердечной мышцы ^{[ 2 ]}^{[ 3 ]} hECT предоставляют ценный ресурс для воспроизведения нормального развития сердечной ткани человека, понимания развития сердечно-сосудистых заболеваний человека (ССЗ) и могут привести к разработке инженерной тканевой терапии для пациентов с ССЗ. ^{[ 3 ]}

Поколение

hESC и hiPSC являются первичными клетками, используемыми для генерации hECT. ^{[ 2 ]}^{[ 3 ]}^{[ 4 ]}^{[ 5 ]} Плюрипотентные стволовые клетки человека дифференцируются в кардиомиоциты (hPSC-CM) в культуре через среду, содержащую низкомолекулярные медиаторы (например, цитокины, факторы роста и транскрипции). ^{[ 1 ]}^{[ 6 ]}^{[ 7 ]} Преобразование hPSC-CM в hECT включает использование трехмерных (3D) тканевых каркасов для имитации естественной физиологической среды сердца. ^{[ 1 ]}^{[ 2 ]}^{[ 3 ]}^{[ 8 ]} Этот 3D-каркас вместе с коллагеном — основным компонентом внеклеточного матрикса сердца. ^{[ 9 ]} – обеспечивает соответствующие условия для содействия организации, росту и дифференцировке кардиомиоцитов. ^{[ 1 ]}^{[ 2 ]}^{[ 3 ]}^{[ 7 ]}^{[ 8 ]}

Характеристики

На внутриклеточном уровне hECTs демонстрируют несколько существенных структурных особенностей кардиомиоцитов, включая организованные саркомеры , щелевые контакты и саркоплазматического ретикулума ; структуры ^{[ 1 ]} однако распределение и организация многих из этих структур характерны для неонатальной сердечной ткани, а не для сердечной мышцы взрослого человека. ^{[ 1 ]}^{[ 3 ]}^{[ 4 ]}^{[ 8 ]} hECT также экспрессируют ключевые сердечные гены ( α-MHC , SERCA2a и ACTC1 ), близкие к уровням, наблюдаемым в сердце взрослого человека. ^{[ 1 ]} Аналогично характеристикам ЭСТ на животных моделях, ^{[ 10 ]}^{[ 11 ]} ГЭКТ сокращаются спонтанно ^{[ 1 ]} и восстановить многие фундаментальные физиологические реакции нормальной сердечной мышцы, такие как механизм Франка-Старлинга. ^{[ 1 ]}^{[ 7 ]} и чувствительность к кальцию. ^{[ 1 ]} hECT демонстрируют дозозависимые реакции на определенные лекарства, такие как морфологические изменения потенциалов действия из-за ионных каналов . блокаторов ^{[ 4 ]}^{[ 12 ]} и модуляция сократительных свойств инотропными и лузитропными агентами. ^{[ 1 ]}^{[ 7 ]}

Экспериментальное и клиническое применение

Даже при использовании современных технологий структура и функция hECT больше находятся на уровне сердечной мышцы новорожденного, чем на уровне миокарда взрослого человека. ^{[ 1 ]}^{[ 2 ]}^{[ 3 ]}^{[ 4 ]}^{[ 5 ]}^{[ 8 ]} Тем не менее, важные достижения привели к созданию пластырей hECT для восстановления миокарда на животных моделях. ^{[ 13 ]}^{[ 14 ]} и использование для моделей скрининга лекарств in vitro. ^{[ 1 ]}^{[ 3 ]}^{[ 12 ]} hECTs также можно использовать для экспериментального моделирования сердечно-сосудистых заболеваний с использованием генетических манипуляций и переноса генов, опосредованного аденовирусом . ^{[ 1 ]}^{[ 15 ]} На животных моделях инфаркта миокарда (ИМ) введение чЭКТ в сердце крыс. ^{[ 16 ]} и мыши ^{[ 17 ]} уменьшает размер инфаркта и улучшает функцию и сократимость сердца. В качестве доказательства принципа трансплантаты искусственно созданных тканей сердца были имплантированы крысам после инфаркта миокарда и оказали благотворное влияние на функцию левого желудочка. ^{[ 18 ]} Также изучается использование hECT для создания тканеинженерных клапанов сердца с целью улучшения существующих конструкций клапанов сердца для исследований на животных in vivo. ^{[ 19 ]} Поскольку технологии тканевой инженерии развиваются и преодолевают текущие ограничения, hECTs становятся многообещающим направлением для открытия экспериментальных лекарств, скрининга, моделирования заболеваний и восстановления in vivo.

Ссылки

^ Jump up to: ^а ^б ^с ^д ^и ^ж ^г ^час ^я ^дж ^к ^л ^м ^н ^тот Тернбулл И.С., Каракикес И., Серрао Г.В., Бакерис П., Ли Дж.Дж., Се С., Сеньей Г., Гордон Р.Э., Ли Р.А., Акар Ф.Г., Хаджар Р.Дж., Юло Дж.С., Коста К.Д. (февраль 2014 г.). «Развитие функциональных инженерных тканей сердца к доклинической модели миокарда человека» . Журнал ФАСЭБ . 28 (2): 644–54. дои : 10.1096/fj.13-228007 . ПМЦ 3898643 . ПМИД 24174427 .
^ Jump up to: ^а ^б ^с ^д ^и ^ж Тибурси М., Циммерманн В.Х. (январь 2014 г.). «Моделирование роста и гипертрофии миокарда в искусственно созданной сердечной мышце». Тенденции сердечно-сосудистой медицины . 24 (1): 7–13. дои : 10.1016/j.tcm.2013.05.003 . ПМИД 23953977 .
^ Jump up to: ^а ^б ^с ^д ^и ^ж ^г ^час ^я Таллок Н.Л., Мерри CE (ноябрь 2013 г.). «Тенденции сердечно-сосудистой инженерии: организация сердца человека» . Тенденции сердечно-сосудистой медицины . 23 (8): 282–6. дои : 10.1016/j.tcm.2013.04.001 . ПМЦ 3791174 . ПМИД 23722092 .
^ Jump up to: ^а ^б ^с ^д ^и Чжан Д., Шадрин И.Ю., Лам Дж., Xian HQ, Snodgrass HR, Bursac N (июль 2013 г.). «Тканеинженерный сердечный пластырь для ускоренного функционального созревания кардиомиоцитов человека, полученных из ЭСК» . Биоматериалы . 34 (23): 5813–20. doi : 10.1016/j.bimaterials.2013.04.026 . ПМК 3660435 . ПМИД 23642535 .
^ Jump up to: ^а ^б ^с Маммери КЛ, Чжан Дж, Нг Э.С., Эллиотт Д.А., Элефанти АГ, Камп Т.Дж. (июль 2012 г.). «Дифференциация эмбриональных стволовых клеток человека и индуцированных плюрипотентных стволовых клеток в кардиомиоциты: обзор методов» . Исследование кровообращения . 111 (3): 344–58. дои : 10.1161/CIRCRESAHA.110.227512 . ПМЦ 3578601 . ПМИД 22821908 .
^ Ван Х., Цао Н., Спенсер С.И., Не Б., Ма Т., Сюй Т., Чжан Ю., Ван Х., Шривастава Д., Дин С. (март 2014 г.). «Маленькие молекулы позволяют сердечное перепрограммирование фибробластов мыши с помощью единственного фактора Oct4» . Отчеты по ячейкам . 6 (5): 951–60. дои : 10.1016/j.celrep.2014.01.038 . ПМЦ 4004339 . ПМИД 24561253 .
^ Jump up to: ^а ^б ^с ^д Сунг П.Л., Тибурси М., Циммерманн В.Х. (июнь 2012 г.). «Сердечная дифференцировка эмбриональных стволовых клеток человека и их сборка в искусственно созданную сердечную мышцу». Современные протоколы клеточной биологии . Глава 23: 23.8.1–23.8.21. дои : 10.1002/0471143030.cb2308s55 . ПМИД 23129117 . S2CID 5144547 .
^ Jump up to: ^а ^б ^с ^д Таллох Н.Л., Мусхели В., Разумова М.В., Корте Ф.С., Ренье М., Хауч К.Д., Пабон Л., Райнеке Х., Марри CE (июнь 2011 г.). «Выращивание инженерного миокарда человека с механической нагрузкой и сосудистой кокультурой» . Исследование кровообращения . 109 (1): 47–59. дои : 10.1161/CIRCRESAHA.110.237206 . ПМК 3140796 . ПМИД 21597009 .
^ Вебер К.Т., Яницки Дж.С., Шрофф С.Г., Пик Р., Чен Р.М., Башей Р.И. (апрель 1988 г.). «Ремоделирование коллагена перегруженного давлением гипертрофированного миокарда приматов нечеловеческого происхождения» . Исследование кровообращения . 62 (4): 757–65. дои : 10.1161/01.res.62.4.757 . ПМИД 2964945 .
^ Циммерманн В.Х., Финк С., Кралиш Д., Реммерс У., Вейль Дж., Эшенхаген Т. (апрель 2000 г.). «Трехмерная инженерная ткань сердца из кардиомиоцитов новорожденных крыс». Биотехнология и биоинженерия . 68 (1): 106–14. doi : 10.1002/(SICI)1097-0290(20000405)68:1<106::AID-BIT13>3.0.CO;2-3 . ПМИД 10699878 .
^ Циммерманн В.Х., Шнайдербангер К., Шуберт П., Дидье М., Мюнцель Ф., Хойбах Дж.Ф., Костин С., Нойхубер В.Л., Эшенхаген Т. (февраль 2002 г.). «Тканевая инженерия дифференцированной конструкции сердечной мышцы» . Исследование кровообращения . 90 (2): 223–30. дои : 10.1161/hh0202.103644 . ПМИД 11834716 .
^ Jump up to: ^а ^б Шааф С., Шибамия А., Мьюе М., Эдер А., Стёр А., Хирт М.Н., Рау Т., Циммерманн В.Х., Конради Л., Эшенхаген Т., Хансен А. (2011). «Созданная человеком сердечная ткань как универсальный инструмент фундаментальных исследований и доклинической токсикологии» . ПЛОС ОДИН . 6 (10): e26397. Бибкод : 2011PLoSO...626397S . дои : 10.1371/journal.pone.0026397 . ПМК 3197640 . ПМИД 22028871 .
^ Стивенс К.Р., Кройцигер К.Л., Дюпрас С.К., Корте Ф.С., Ренье М., Мусхели В., Нурс М.Б., Бендиксен К., Райнеке Х., Марри CE (сентябрь 2009 г.). «Физиологическая функция и трансплантация свободной от каркаса и васкуляризированной сердечной мышечной ткани человека» . Труды Национальной академии наук Соединенных Штатов Америки . 106 (39): 16568–73. Бибкод : 2009PNAS..10616568S . дои : 10.1073/pnas.0908381106 . ПМК 2746126 . ПМИД 19805339 .
^ Лесман А., Хабиб М., Каспи О., Гепштейн А., Арбель Г., Левенберг С., Гепштейн Л. (январь 2010 г.). «Трансплантация тканеинженерной васкуляризированной сердечной мышцы человека». Тканевая инженерия. Часть А. 16 (1): 115–25. дои : 10.1089/ten.TEA.2009.0130 . ПМИД 19642856 .
^ де Ланге В.Дж., Хегге Л.Ф., Граймс AC, Тонг CW, Брост Т.М., Мосс Р.Л., Ральф Дж.К. (июнь 2011 г.). «Инженерная сердечная ткань, полученная из неонатальных мышей: новая модельная система для изучения генетических заболеваний сердца» . Исследование кровообращения . 109 (1): 8–19. дои : 10.1161/CIRCRESAHA.111.242354 . ПМК 3123426 . ПМИД 21566213 .
^ Мин Дж. Ю., Ян Ю., Конверсо К. Л., Лю Л., Хуан Ц., Морган Дж. П., Сяо Ю. Ф. (январь 2002 г.). «Трансплантация эмбриональных стволовых клеток улучшает функцию сердца у постинфарктных крыс» . Журнал прикладной физиологии . 92 (1): 288–96. дои : 10.1152/яп.2002.92.1.288 . ПМИД 11744672 .
^ Колоссов Е, Бостани Т, Роелл В, Брейтбах М, Пиллекамп Ф, Нигрен Дж. М., Сасс П, Рубенчик О, Фрис Дж. В., Венцель Д., Гайзен С, Ся Ю, Лу З, Дуан Ю, Кеттенхофен Р, Йовинге С, Блох В. , Болен Х., Вельц А., Хешелер Дж., Якобсен С.Е., Флейшманн Б.К. (октябрь 2006 г.). «Приживление искусственных кардиомиоцитов, полученных из ES-клеток, но не клеток BM, восстанавливает сократительную функцию инфарктного миокарда» . Журнал экспериментальной медицины . 203 (10): 2315–27. дои : 10.1084/jem.20061469 . ПМК 2118112 . ПМИД 16954371 .
^ Циммерманн В.Г., Мельниченко И., Васмайер Г., Дидье М., Найто Х., Никсдорф Ю., Гесс А., Будинский Л., Брюн К., Михаэлис Б., Дейн С., Шверер А., Эмке Х., Эшенхаген Т. (апрель 2006 г.). «Инженерные трансплантаты сердечной ткани улучшают систолическую и диастолическую функцию сердца крыс, перенесших инфаркт». Природная медицина . 12 (4): 452–8. дои : 10.1038/nm1394 . ПМИД 16582915 . S2CID 24594445 .
^ Пусеат М (апрель 2013 г.). «Эмбриологическое происхождение эндокарда и производных клеток-предшественников клапана: от биологии развития до восстановления клапана на основе стволовых клеток» . Biochimica et Biophysical Acta (BBA) - Исследования молекулярных клеток . 1833 (4): 917–22. дои : 10.1016/j.bbamcr.2012.09.013 . ПМИД 23078978 .

[Turnbull-1] Jump up to: ^а ^б ^с ^д ^и ^ж ^г ^час ^я ^дж ^к ^л ^м ^н ^тот Тернбулл И.С., Каракикес И., Серрао Г.В., Бакерис П., Ли Дж.Дж., Се С., Сеньей Г., Гордон Р.Э., Ли Р.А., Акар Ф.Г., Хаджар Р.Дж., Юло Дж.С., Коста К.Д. (февраль 2014 г.). «Развитие функциональных инженерных тканей сердца к доклинической модели миокарда человека» . Журнал ФАСЭБ . 28 (2): 644–54. дои : 10.1096/fj.13-228007 . ПМЦ 3898643 . ПМИД 24174427 .

[Tiburcy-2] Jump up to: ^а ^б ^с ^д ^и ^ж Тибурси М., Циммерманн В.Х. (январь 2014 г.). «Моделирование роста и гипертрофии миокарда в искусственно созданной сердечной мышце». Тенденции сердечно-сосудистой медицины . 24 (1): 7–13. дои : 10.1016/j.tcm.2013.05.003 . ПМИД 23953977 .

[Tulloch-3] Jump up to: ^а ^б ^с ^д ^и ^ж ^г ^час ^я Таллок Н.Л., Мерри CE (ноябрь 2013 г.). «Тенденции сердечно-сосудистой инженерии: организация сердца человека» . Тенденции сердечно-сосудистой медицины . 23 (8): 282–6. дои : 10.1016/j.tcm.2013.04.001 . ПМЦ 3791174 . ПМИД 23722092 .

[Zhang-4] Jump up to: ^а ^б ^с ^д ^и Чжан Д., Шадрин И.Ю., Лам Дж., Xian HQ, Snodgrass HR, Bursac N (июль 2013 г.). «Тканеинженерный сердечный пластырь для ускоренного функционального созревания кардиомиоцитов человека, полученных из ЭСК» . Биоматериалы . 34 (23): 5813–20. doi : 10.1016/j.bimaterials.2013.04.026 . ПМК 3660435 . ПМИД 23642535 .

[Mummery-5] Jump up to: ^а ^б ^с Маммери КЛ, Чжан Дж, Нг Э.С., Эллиотт Д.А., Элефанти АГ, Камп Т.Дж. (июль 2012 г.). «Дифференциация эмбриональных стволовых клеток человека и индуцированных плюрипотентных стволовых клеток в кардиомиоциты: обзор методов» . Исследование кровообращения . 111 (3): 344–58. дои : 10.1161/CIRCRESAHA.110.227512 . ПМЦ 3578601 . ПМИД 22821908 .

[Wang-6] Ван Х., Цао Н., Спенсер С.И., Не Б., Ма Т., Сюй Т., Чжан Ю., Ван Х., Шривастава Д., Дин С. (март 2014 г.). «Маленькие молекулы позволяют сердечное перепрограммирование фибробластов мыши с помощью единственного фактора Oct4» . Отчеты по ячейкам . 6 (5): 951–60. дои : 10.1016/j.celrep.2014.01.038 . ПМЦ 4004339 . ПМИД 24561253 .

[Soong-7] Jump up to: ^а ^б ^с ^д Сунг П.Л., Тибурси М., Циммерманн В.Х. (июнь 2012 г.). «Сердечная дифференцировка эмбриональных стволовых клеток человека и их сборка в искусственно созданную сердечную мышцу». Современные протоколы клеточной биологии . Глава 23: 23.8.1–23.8.21. дои : 10.1002/0471143030.cb2308s55 . ПМИД 23129117 . S2CID 5144547 .

[Murry-8] Jump up to: ^а ^б ^с ^д Таллох Н.Л., Мусхели В., Разумова М.В., Корте Ф.С., Ренье М., Хауч К.Д., Пабон Л., Райнеке Х., Марри CE (июнь 2011 г.). «Выращивание инженерного миокарда человека с механической нагрузкой и сосудистой кокультурой» . Исследование кровообращения . 109 (1): 47–59. дои : 10.1161/CIRCRESAHA.110.237206 . ПМК 3140796 . ПМИД 21597009 .

[Weber-9] Вебер К.Т., Яницки Дж.С., Шрофф С.Г., Пик Р., Чен Р.М., Башей Р.И. (апрель 1988 г.). «Ремоделирование коллагена перегруженного давлением гипертрофированного миокарда приматов нечеловеческого происхождения» . Исследование кровообращения . 62 (4): 757–65. дои : 10.1161/01.res.62.4.757 . ПМИД 2964945 .

[10] Циммерманн В.Х., Финк С., Кралиш Д., Реммерс У., Вейль Дж., Эшенхаген Т. (апрель 2000 г.). «Трехмерная инженерная ткань сердца из кардиомиоцитов новорожденных крыс». Биотехнология и биоинженерия . 68 (1): 106–14. doi : 10.1002/(SICI)1097-0290(20000405)68:1<106::AID-BIT13>3.0.CO;2-3 . ПМИД 10699878 .

[11] Циммерманн В.Х., Шнайдербангер К., Шуберт П., Дидье М., Мюнцель Ф., Хойбах Дж.Ф., Костин С., Нойхубер В.Л., Эшенхаген Т. (февраль 2002 г.). «Тканевая инженерия дифференцированной конструкции сердечной мышцы» . Исследование кровообращения . 90 (2): 223–30. дои : 10.1161/hh0202.103644 . ПМИД 11834716 .

[Schaaf-12] Jump up to: ^а ^б Шааф С., Шибамия А., Мьюе М., Эдер А., Стёр А., Хирт М.Н., Рау Т., Циммерманн В.Х., Конради Л., Эшенхаген Т., Хансен А. (2011). «Созданная человеком сердечная ткань как универсальный инструмент фундаментальных исследований и доклинической токсикологии» . ПЛОС ОДИН . 6 (10): e26397. Бибкод : 2011PLoSO...626397S . дои : 10.1371/journal.pone.0026397 . ПМК 3197640 . ПМИД 22028871 .

[13] Стивенс К.Р., Кройцигер К.Л., Дюпрас С.К., Корте Ф.С., Ренье М., Мусхели В., Нурс М.Б., Бендиксен К., Райнеке Х., Марри CE (сентябрь 2009 г.). «Физиологическая функция и трансплантация свободной от каркаса и васкуляризированной сердечной мышечной ткани человека» . Труды Национальной академии наук Соединенных Штатов Америки . 106 (39): 16568–73. Бибкод : 2009PNAS..10616568S . дои : 10.1073/pnas.0908381106 . ПМК 2746126 . ПМИД 19805339 .

[14] Лесман А., Хабиб М., Каспи О., Гепштейн А., Арбель Г., Левенберг С., Гепштейн Л. (январь 2010 г.). «Трансплантация тканеинженерной васкуляризированной сердечной мышцы человека». Тканевая инженерия. Часть А. 16 (1): 115–25. дои : 10.1089/ten.TEA.2009.0130 . ПМИД 19642856 .

[15] де Ланге В.Дж., Хегге Л.Ф., Граймс AC, Тонг CW, Брост Т.М., Мосс Р.Л., Ральф Дж.К. (июнь 2011 г.). «Инженерная сердечная ткань, полученная из неонатальных мышей: новая модельная система для изучения генетических заболеваний сердца» . Исследование кровообращения . 109 (1): 8–19. дои : 10.1161/CIRCRESAHA.111.242354 . ПМК 3123426 . ПМИД 21566213 .

[16] Мин Дж. Ю., Ян Ю., Конверсо К. Л., Лю Л., Хуан Ц., Морган Дж. П., Сяо Ю. Ф. (январь 2002 г.). «Трансплантация эмбриональных стволовых клеток улучшает функцию сердца у постинфарктных крыс» . Журнал прикладной физиологии . 92 (1): 288–96. дои : 10.1152/яп.2002.92.1.288 . ПМИД 11744672 .

[17] Колоссов Е, Бостани Т, Роелл В, Брейтбах М, Пиллекамп Ф, Нигрен Дж. М., Сасс П, Рубенчик О, Фрис Дж. В., Венцель Д., Гайзен С, Ся Ю, Лу З, Дуан Ю, Кеттенхофен Р, Йовинге С, Блох В. , Болен Х., Вельц А., Хешелер Дж., Якобсен С.Е., Флейшманн Б.К. (октябрь 2006 г.). «Приживление искусственных кардиомиоцитов, полученных из ES-клеток, но не клеток BM, восстанавливает сократительную функцию инфарктного миокарда» . Журнал экспериментальной медицины . 203 (10): 2315–27. дои : 10.1084/jem.20061469 . ПМК 2118112 . ПМИД 16954371 .

[18] Циммерманн В.Г., Мельниченко И., Васмайер Г., Дидье М., Найто Х., Никсдорф Ю., Гесс А., Будинский Л., Брюн К., Михаэлис Б., Дейн С., Шверер А., Эмке Х., Эшенхаген Т. (апрель 2006 г.). «Инженерные трансплантаты сердечной ткани улучшают систолическую и диастолическую функцию сердца крыс, перенесших инфаркт». Природная медицина . 12 (4): 452–8. дои : 10.1038/nm1394 . ПМИД 16582915 . S2CID 24594445 .

[19] Пусеат М (апрель 2013 г.). «Эмбриологическое происхождение эндокарда и производных клеток-предшественников клапана: от биологии развития до восстановления клапана на основе стволовых клеток» . Biochimica et Biophysical Acta (BBA) - Исследования молекулярных клеток . 1833 (4): 917–22. дои : 10.1016/j.bbamcr.2012.09.013 . ПМИД 23078978 .

[ 1 ]

[ 2 ]

[ 3 ]

[ 4 ]

[ 5 ]

[ 6 ]

[ 7 ]

[ 8 ]

[ 9 ]

[ 10 ]

[ 11 ]

[ 12 ]

[ 13 ]

[ 14 ]

[ 15 ]

[ 16 ]

[ 17 ]

[ 18 ]

[ 19 ]