Skip to Content

БЛИЖЕ К СЕРДЦУ

Уральские ученые из Института иммунологии и физиологии УрО РАН (ИИФ) применяют специальные карбоновые волокна, чтобы «обхватить» клетки сердца — кардиомиоциты, и заставить их сокращаться под микроскопом так же, как это происходит в живом организме. Выход на клеточный уровень открывает новые возможности для понимания механизмов развития и течения сердечных патологий, а также помогает в доклиническом тестировании препаратов для их лечения. Подробнее о проекте, поддержанном грантом президента РФ для молодых ученых, рассказала заведующая лабораторией трансляционной медицины и биоинформатики ИИФ кандидат физико-математических наук Анастасия Хохлова.
— Анастасия, какую роль играют кардиомиоциты в организме человека?
— Если кратко, кардиомиоциты — основные мышечные клетки сердца, которые обеспечивают его сокращение. Сердце при этом выполняет свою насосную функцию, перекачивая кровь и обеспечивая тем самым нашу жизнедеятельность.
Чтобы по-настоящему понять функцию какого-либо органа, нужно разобрать его на клеточном или даже молекулярном уровне и выяснить, что там происходит. В клинической практике при стандартных и тем более нестандартных ситуациях врачи больше озабочены тем, как вылечить человека, а не механизмами тех или иных процессов в организме. Мы же, биофизики, физиологи или патофизиологи, стараемся понять, какие процессы происходят в клетках.
— Можно ли кардиомиоциты назвать строительным материалом сердца?
— Верно было бы назвать их функциональным материалом. В сердце есть клетки соединительной ткани, которая скорее является каркасной или, иначе говоря, строительной. И хотя эта ткань не только выполняет «опорную» функцию, но и влияет на поведение остальных клеток, она не сокращается, как это делают кардиомиоциты. Также в сердце присутствуют клетки жировой ткани и иммунной системы. Интегральное исследование всех этих клеток, конечно, было бы интересно, но наш проект имеет более узкую направленность.
— Поговорим о нем подробнее: как на микроуровне изучаются «сердечные» сокращения?
— Есть разные методики. Если взять признанные и простые, то начать надо с выделения клетки из сердца. Это не самая легкая задача, но вполне стандартизированная и при желании решается подбором одного из российских или международных протоколов. Получают эти клетки от лабораторных животных, в нашем институте преимущественно от крыс. Далее, уже с использованием микроскопа и присоединенной к нему камеры отслеживаются движения клетки. С помощью математического аппарата полученные изображения обрабатываются так, что в каждом кадре концы клетки получают свои координаты. По этим кадрам можно отследить, как клетка сокращается. Таков один из вариантов, который используется во многих лабораториях.
Основная «фишка» нашего исследования — методика карбоновых волокон, которая напоминает биотехнические манипуляции. Клетку под микроскопом прикрепляют к волокнам толщиной примерно 10–12 микрометров, т.е. тоньше человеческого волоса. Предварительно волокна помещаются в специальные держатели, которые в свою очередь крепятся к микроманипуляторам. И уже на них подается управляющий сигнал, приводящий их в движение за счет пьезоэлектрического эффекта.
У нас имеются клетки разных камер сердца: желудочков и предсердий. Они отличаются по своей структуре и функции. Средняя толщина клеток желудочков — 20–25 микрометров, длина — 120–140 микрометров. Это весьма кропотливая работа: прикрепить волоски в 12 микрон к клетке таких размеров. Причем это надо сделать сверху и снизу.
— Зачем?
— Мы фиксируем клетку, не повреждая при этом ее мембрану, и дальше можем проводить с ней различные манипуляции. Прежде всего, нам интересно заставить клетку сокращаться подобно тому, как это происходит в реальном сердце. Ведь обычно в лабораториях к выделенным клеткам подают подпороговый импульс тока, и они начинают сокращаться сами по себе. Но если бы в таком хаотичном порядке это происходило в живом организме, ничем хорошим это бы не кончилось.
В реальности клетки желудочка находятся в строгих условиях, их сокращение происходит по определенным правилам. Наша методика позволяет воссоздавать эти условия искусственным способом. Например, есть такая фаза в сердечном цикле, когда длина клетки постоянна. Чтобы повторить это в лабораторных условиях, мы подаем команду на пьезоманипуляторы, они компенсируют естественное сокращение выделенной клетки и не позволяют ей меняться в длине. При таком подходе мы можем детальнее изучать те или иные физиологические параметры процесса сокращения и их взаимовлияние.
Если говорить об истоках такой методики, она появилась в конце 1980-х годов. Позднее ее модифицировали и сейчас успешно применяют в Университете Фрайбурга (Германия) и Университете Окаяма (Япония). С опытом коллег из этих двух вузов я познакомилась, когда готовила свою кандидатскую диссертацию, и после ее защиты.
— К сокращению клетки приводят карбоновые волокна?
— Не совсем. У клеток основная функция — сокращаться. Они сокращаются сами по себе, потому что так работают их внутренние элементы. Карбоновые волокна создают механическую нагрузку — примерно так же, как если бегущему человеку дать в руки балку, он побежит медленнее. В сердце все клетки сокращаются под нагрузкой. Наша идея как раз в том, чтобы не давать клеткам свободно сокращаться, а сделать это так, как происходит в сердце. 90% исследований, за исключением тех, что проводятся в упомянутых двух университетах, идут без нагрузки. И возникает вопрос, насколько эти результаты корректны. Впрочем, сейчас методики работы с клетками активно развиваются, и использование карбоновых волокон — не единственный подход к воссозданию условий механической нагрузки.
— Ваша работа ведется уже второй год. Что удалось сделать?
— За первый год нам нужно было посмотреть отдельно клетки предсердия и клетки желудочков. Как я говорила, они отличаются друг от друга. Мы подобрали протокол их получения и провели измерения без карбоновых волокон. Такие измерения без нагрузки до сих пор популярны именно по той причине, что позволяют исследовать не только само сокращение, но и другие функциональные параметры клеток. Мы, в частности, исследуем кардиомиоциты с помощью конфокальной микроскопии. Она позволяет при использовании специальных красителей изучить ионы внутри клетки. Ведь сокращение не происходит само по себе, оно вызывается сложной цепочкой реакций. Главным генератором здесь выступают ионы кальция. И мы в ненагруженных клетках предсердия и желудочков посмотрели, что при сокращениях происходит с кальцием.
Сейчас мы активно набираем данные при помощи метода карбоновых волокон. Есть результаты, также полученные на предсердиях и желудочках. Позднее нужно будет обработать эти данные, сравнить с данными без нагрузки и написать статью, чтобы в итоге объяснить поведение клеток предсердия и клеток желудочков в нагруженных условиях. К сожалению, для расширения спектра исследований нам не хватает оборудования, но это направление можно продолжать развивать.
— Существуют ли еще какие-то препятствия для достижения качественных результатов?
— Имеются технические проблемы с движением манипуляторов так, как нам бы хотелось. Манипуляторы — аппаратура, на которую подается сигнал с компьютера. И, к сожалению, так получилось, что не любой сигнал можно на них подать. Сейчас мы думаем, как эти проблемы решить, есть идеи.
— Ваше исследование носит фундаментальный характер, но нельзя не задуматься о том, какие возможности оно может открыть для медицины…
— На самом деле большая часть исследователей, включая чистых «фундаментальщиков», хотят видеть реальный результат своего труда. Конечно, есть классические физиологи, которые сосредоточены на теоретических моделях и отвергают любые попытки сравнивать себя с клиницистами, потому что это разный уровень мышления и разные школы. Но мне интересна такая вещь, как трансляционная медицина, когда фундаментальные исследования переносятся ближе к клинике и появляется возможность преодолеть рубеж между теорией и практикой.
То, что мы исследуем поведение клеток в режиме, близком к естественному, — уже большое достижение. Именно так можно увидеть их поведение при различных заболеваниях. У нас в институте есть различные экспериментальные модели патологий, в том числе сахарного диабета, ожирения, сердечной недостаточности, легочной гипертензии. В будущем нашу методику можно будет опробовать на животных с патологиями, чтобы понять, что там происходит на клеточном уровне.
Следующий вопрос — как перейти к человеческой ткани? Многие институты мира сейчас пытаются найти решение этой проблемы. Свой вклад вносит, например, наш соотечественник в США, профессор Вашингтонского университета в Сент-Луисе Игорь Ефимов, который предлагает передавать ученым невостребованные донорские сердца. Но в России, к сожалению, эта тема непопулярна в силу этических и законодательных моментов. В качестве альтернативы ученые могут использовать кардиомиоциты, полученные из стволовых клеток. Их, в частности, получают в Новосибирске. И у нас были первые договоренности пообщаться с коллегами оттуда, но в связи с эпидемией коронавируса пришлось с этим повременить. Надеюсь, мы к этому вернемся.
Беседовал Павел КИЕВ
На фото Дениса Волжанинова:
стр. 4 внизу —
вид четырех стеклянных держателей над экспериментальной ванночкой; Справа: одиночный кардиомиоцит, зажатый по принципу двух пинцетов карбоновыми волокнами; 
стр. 5 вверху — общий вид лабораторного комплекса 
Год: 
2020
Месяц: 
сентябрь
Номер выпуска: 
17
Абсолютный номер: 
1218
Изменено 16.09.2020 - 13:15


2012 © Российская академия наук Уральское отделение
620990, г. Екатеринбург, ул. Первомайская, 91
makarov@prm.uran.ru +7(343) 374-07-47