«ПЕРВЫЙ СРЕДИ РАВНЫХ...»
Нормативные документы
Противодействие коррупции
Поступающим
Студентам
Выпускникам
Проект 5-100
Аккредитация специалистов
Клетки сердца человека способны к обновлению 04.06.2009

Клетки сердца человека способны к обновлению

Для изучения пролиферативной активности клеток разных типов in vivo успешно используются радиоактивно меченые аналоги нуклеотидов, которые встраиваются в ДНК активно делящихся клеток. Это позволяет не только выяснить долю делящихся клеток в данный момент времени, но и узнать, сколько новых клеток образовалось в данной ткани или органе в течение длительного периода.

Этот подход лежит в основе множества исследований на животных, и за многие годы он всецело оправдал свою ценность. Однако экстраполировать полученные результаты на человека нужно с большой осторожностью. Ведь очевидным будет предположить, что регенеративный потенциал тканей у мыши нескольких месяцев от роду и у пожилого человека будут отличаться.

Тем не менее, важность выяснения реального потенциала тканей человека к обновлению нельзя переоценить. Так, многие заболевания связаны с нарушениями клеточной регенерации, поэтому усиление естественного потенциала клеток к восстановлению с помощью фармакологических препаратов может стать перспективным направлением в лечении ряда патологических состояний, в том числе инфаркта миокарда. Но как оценить обновление клеток человека in vivo, не имея возможности их пометить?

Невольный эксперимент

Важной вехой в решении проблемы стала работа группы исследователей из Каролинского института Стокгольм, Швеция (Karolinska Institutet), возглавляемой профессором Йонасом Фризером (Jonas Frisen), которые в 2005 году опубликовали способ ретроспективного анализа клеточной пролиферации у человека. Учёные подтвердили неожиданный факт: невольно, человечество уже осуществило масштабный эксперимент по радиоактивному мечению своих клеток.

Действительно, наземные испытания ядерного оружия, проводившиеся в 50-х — 60-х годах, стали причиной многократного увеличения концентрации изотопа углерода 14C в атмосфере Земли. После того, как в 1963 году США, СССР и Великобритания подписали «Договор о запрещении испытаний ядерного оружия в атмосфере, космическом пространстве и под водой», началось экспоненциальное снижение уровня 14C в атмосфере за счет аккумуляции изотопа в Мировом океане и биосфере. В составе углекислого газа 14C аккумулировался в растениях и передавался по пищевым цепям, в итоге накапливаясь в клетках человека, в том числе в самой долгоживущей молекуле — в ДНК.

Таким образом, уровень углерода 14C в геномной ДНК отражает возраст клетки: путем сопоставления содержания 14C в клеточной популяции с концентрацией изотопа в атмосфере можно получить примерный «день рождения» клетки в организме. Очевидно, что концентрация 14C в ДНК клеток с очень низким регенеративным потенциалом будет близка по значению к концентрации 14C в атмосфере в год рождения человека. Напротив, в активно пролиферирующих клетках уровень геномного 14C будет близок к его концентрации в атмосфере в момент взятия образца.

Используя предложенный подход, исследовательская группа Каролинского института доказала, что у человека нейроны коры головного мозга не делятся в постнатальном периоде, а обновление адипоцитов происходит регулярно, со скоростью 10 процентов клеток в год. Этот же метод был положен в основу работы, опубликованной в журнале Science, в которой Олаф Бергман (Olaf Bergmann) с коллегами решили выяснить один из фундаментальных вопросов физиологии и медицины: способны ли к обновлению кардиомиоциты человека?

Результаты многочисленных исследований на грызунах с использованием меченых аналогов нуклеотидов, проведенные за последние 40 лет, не дали ясного ответа о регенеративном потенциале клеток сердца. В пользу такой возможности свидетельствует обнаружение у мышей кардиальных клеток-предшественников, которые, по-видимому, отвечают за фоновое обновление кардиомиоцитов в течение жизни. Более того, было обнаружено, что сами зрелые кардиомиоциты могут снова входить в клеточный цикл и делиться. С другой стороны, полагают, что пролиферация клеток сердца может происходить только при повреждении сердечной мышцы.

Научный взрыв

На первом этапе авторы провели анализ содержания 14C в образцах тканей сердца, полученных при аутопсии и из Британского банка тканей человека. У людей, родившихся в период ядерных испытаний (когда концентрация 14C в атмосфере была высока), уровень 14C в клетках миокарда соответствовал концентрации изотопа, наблюдавшейся в атмосфере через несколько лет после их рождения, что говорит о синтезе ДНК в клетках миокарда в постнатальном периоде. Поскольку эти данные не позволяют выяснить, происходит ли синтез ДНК (а значит, деление клеток) в более позднем возрасте, учёные провели аналогичный анализ у людей, родившихся до периода ядерных испытаний. Во всех исследованных образцах (в том числе принадлежавших людям, которые родились за 22 года до ядерных испытаний) содержание 14C было повышено. Это означает, что синтез ДНК в клетках миокарда человека происходит спустя многие годы после рождения, свидетельствуя о постнатальном обновлении тканей сердца.

Тем не менее, эти предварительные результаты не давали ответа на вопрос, какие именно клетки миокарда делятся, поскольку зрелые кардиомиоциты составляют около 20 процентов среди других клеток сердца — эндотелиальных клеток, фибробластов, гладкомышечных клеток и лейкоцитов. Поэтому авторы решили с помощью проточной FACS-сортировки выделить клеточные ядра, экспрессирующие специфичные для кардиомиоцитов маркеры — кардиальные тропонин I и тропонин T. Поскольку кардиомиоциты экспрессируют оба белка, для сортировки был выбран один из маркеров — тропонин Т. Авторы подтвердили, что тропонин Т+ фракция ядер экспрессирует другие маркеры кардиомиоцитов и не несет маркерных генов эндотелиальных клеток, фибробластов, гладкомышечных клеток и лейкоцитов. Повторив вышеописанные эксперименты по оценке содержания 14C уже на очищенных ядрах кардиомиоцитов (степень очистки 96%), исследователи подтвердили, что у людей, родившихся как до, так и во время ядерных испытаний, в постнатальном периоде отмечается синтез ДНК в самих кардиомиоцитах.

Удар по болезням сердца

Известно, что накопление 14C (синтез ДНК) в кардиомиоцитах может быть связано не только с клеточной пролиферацией, но и с полиплоидизацией клеток в раннем постнатальном периоде (примерно до 10 лет), а также у взрослых в результате повышенной нагрузки на сердце при сердечно-сосудистой патологии. Кроме того, на содержании 14C в ДНК могли отразиться такие процессы как слияние кардиомиоцитов с другими клетками и удаление нуклеотидов при репарации ДНК. Авторы оценили вклад каждого из этих событий в накопление 14C в ядерной ДНК, чтобы выяснить истинный потенциал кардиомиоцитов к регенерации. Так, изменения концентрации 14C вследствие слияния клеток и при репарации ДНК столь незначительны, что лежат ниже границы чувствительности использованного метода детекции. Далее, у людей с сердечной патологией в анамнезе не было отмечено ни значимой гипертрофии миокарда, ни патологической полиплоидии кардиомиоцитов. Более того, моделирование кинетики синтеза ДНК и накопления 14C показало, что выявленные концентрации 14C в кардиомиоцитах не могут быть следствием полиплоидизации клеток в зрелом возрасте.

Единственным процессом, который отразился на результатах исследования, была полиплоидизация кардиомиоцитов в детском возрасте, однако, как выяснили авторы, накопление 14C в кардиомиоцитах нельзя объяснить исключительно как следствие их полиплоидизации. Действительно, повышенное содержание 14C в кардиомиоцитах людей, которым к моменту увеличения уровня 14C в атмосфере было уже больше 10-ти лет, говорит в пользу обновления клеток сердца в более зрелом возрасте. Кроме того, исследователи рассчитали для каждого образца величину поправки, обусловленной полиплоидизацией кардиомиоцитов в детстве, что позволило получить истинные значения содержания 14C. Таким образом, исключив наиболее вероятные причины накопления изотопа 14C, не связанные с клеточной пролиферацией, учёные Каролинского института получили веские основания утверждать, что кардиомиоциты человека способны к фоновому обновлению в течение жизни.

На основе полученных данных авторы апробировали несколько математических моделей для выяснения динамики пролиферации кардиомиоцитов. Модель обратного линейного снижения, наиболее соответствующая экспериментальным данным, показала, что в возрасте 25 лет у человека делятся около 1 процент кардиомиоцитов в год, а к 75 годам их доля снижается до 0,45 процентов. В соответствии с таким уровнем пролиферации большинство кардиомиоцитов ни разу не делится в течение жизни. С другой стороны, клетки миокарда, отличные от кардиомиоцитов, характеризуются значительно более высоким уровнем обновления (18 процентов клеток в год, 4 года — средний возраст одной клетки).

Комментируя данную публикацию, Кеннет Чин (Kenneth Chien) из Гарвардского института стволовых клеток (Harvard Stem Cell Institute) полагает, что доказательство даже незначительного пролиферативного потенциала клеток сердца может стать прочным основанием для создания лекарственных препаратов, усиливающих обновление кардиомиоцитов. «Данные, полученные на животных, показывают, что даже частичное восстановление сердечной мышцы может оказаться подобным „Большому взрыву“ в функциональном плане». Так ли это для человека — покажет будущее.

С оригинальной статьёй, опубликованной в журнале Science можно ознакомиться по ссылке Bergmann O., Bhardwaj R.D., Bernard S. et al. Evidence for cardiomyocyte renewal in humans. Science. 2009 Apr 3; 324(5923): 98—102.

По материалам журнала «Клеточная трансплантология и тканевая инженерия»


Исходная статья: Живые системы