По словам исследователей из Медицинской школы Стэнфордского университета, клетки сердечной мышцы, полученные из индуцированных плюрипотентных стволовых клеток, точно отражают паттерны экспрессии ключевых генов в естественной сердечной ткани донора. В результате клетки можно использовать в качестве прокси для прогнозирования вероятности того, что у пациента будет повреждение сердца, связанное с приемом лекарств.
Открытие подтверждает возможность использования таких клеток для проверки потенциальной кардиотоксичности определенных лекарств и разработки новых методов лечения таких состояний, как кардиомиопатия. Исследователи считают, что выявление людей, которые могут пострадать от сердечного приступа до того, как эти люди начнут лечение, может повысить профиль безопасности многих лекарств.
"Тридцать процентов лекарств, участвующих в клинических испытаниях, в конечном итоге отменяются по соображениям безопасности, которые часто вызывают неблагоприятные сердечные эффекты," сказал Джозеф Ву, доктор медицинских наук, директор Стэнфордского института сердечно-сосудистой системы и профессор сердечно-сосудистой медицины и радиологии. "Это исследование показывает, что эти клетки служат в качестве функционального считывающего устройства, чтобы предсказать, как сердце пациента может реагировать на определенные лекарственные препараты, и определить тех, кому следует избегать определенных видов лечения."
Ву – старший автор исследования, которое будет опубликовано в августе. 18-дюймовая стволовая клетка. Инструктор по сердечно-сосудистой медицине Елена Маца, доктор медицинских наук, является ведущим автором исследования.
Тестирование ткани
Возможность создавать стволовые клетки из легко получаемых образцов кожи или крови произвела революцию в концепции персонализированной медицины и сделала возможным создание многих типов человеческих тканей для использования в клинике. Однако исследователи задались вопросом, может ли процесс создания стволовых клеток и последующего превращения этих стволовых клеток в другие ткани влиять на паттерны экспрессии генов и даже на то, как функционируют специализированные клетки. Если это так, эти изменения могут ограничить их клиническую ценность.
Матса, Ву и их коллеги создали клетки сердечной мышцы, или кардиомиоциты, из iPS-клеток семи человек, о генетической предрасположенности к сердечным заболеваниям неизвестно. Они секвенировали молекулы РНК, производимые клетками сердечной мышцы, чтобы узнать, какие белки вырабатывают клетки и в каком количестве. Затем они сравнили результаты у отдельных людей – глядя на паттерны экспрессии генов кардиомиоцитов, полученных из нескольких партий iPS-клеток от каждого человека, – а также среди всех семи субъектов исследования.
Они также исследовали, как кардиомиоциты каждого человека реагируют на увеличивающееся количество двух препаратов, одно из которых называется розиглитазоном, который иногда используется для лечения диабета 2 типа, а другое, называемое такролимусом, которое служит иммунодепрессантом, препятствующим отторжению пересаженных органов. Каждый из двух препаратов был связан с неблагоприятными сердечными эффектами у некоторых людей, но было невозможно предсказать, какие пациенты испытают повреждение сердца.
"Мы обнаружили, что паттерны экспрессии генов кардиомиоцитов, полученных из iPS-клеток, от каждого отдельного пациента очень хорошо коррелировали," сказал Матса. "Но среди семи человек наблюдалась заметная изменчивость, особенно в генах, участвующих в метаболизме и реакции на стресс. Фактически, один из наших подопытных показал очень ненормальную экспрессию генов ключевого метаболического пути."
Выявление необычной реакции
Исследователи обнаружили, что клетки сердечной мышцы этого человека иначе, чем другие, реагировали на воздействие розиглитазона. Опасения по поводу его влияния на сердечную функцию привели к тому, что препарат был снят с рынка в Европе и строго ограничили его использование в Соединенных Штатах.
"Клетки этого человека производили ненормальное количество активных форм кислорода, были неспособны регенерировать свои митохондрии и сокращались гораздо слабее при воздействии розиглитазона, чем клетки, полученные от других субъектов," сказал Матса.
Хотя исследователи не смогли идентифицировать конкретную генетическую мутацию, которая могла бы вызвать такой результат, они смогли точно определить важный метаболический путь, участвующий в реакции на лекарство, сравнив профиль экспрессии гена субъекта с профилем экспрессии других генов, чьи клетки не были затронуты. Они также смогли исправить дефект, используя технику редактирования генома, чтобы повысить экспрессию гена в пути и восстановить нормальную функцию.
Наконец, хотя исследователи показали, что в паттернах экспрессии генов семи человек существует значимая вариабельность, они еще не могли быть уверены в том, что кардиомиоциты, полученные из ИПС, точно воспроизводят природную ткань сердца каждого человека. Для исследования они создали iPS-клетки еще трех человек, перенесших биопсию сердца или трансплантацию. Затем они сравнили кардиомиоциты, полученные из ИПС, с соответствующей нативной тканью сердца и подтвердили, что паттерны экспрессии генов коррелировали во многих существенных отношениях, особенно для генов, участвующих в метаболических путях, важных для сердечной функции.
"Многие говорят о точной медицине или точном здравоохранении, но есть лишь несколько примеров того, как выполнять это клинически значимым образом," сказал Ву. "Я думаю, что платформа iPS-клеток, полученная от пациентов, дает нам суррогатное окно в организм и позволяет нам не только прогнозировать функции организма, но и узнавать больше о ключевых путях, связанных с заболеванием."