Фибробласты успешнее превращаются в клетки сердечной мышцы, если растут на мягкой подложке

Получение клеток сердечной мышцы из клеток других типов могло бы стать прорывом в терапии сердечных заболеваний. Однако репрограммирование фибробластов, растущих на обычных культуральных полистиреновых чашках, в кардиомиоциты остается неэффективным, и получающиеся при этом клетки морфологически отличаются от настоящих кардиомиоцитов. Как сообщается в статье японских исследователей, опубликованной в Stem Cell Reports, для эффективной трансформации фибробластов в кардиомиоциты необходимо, чтобы клетки получали механические сигналы, близкие к тем, которые получают клетки реального миокарда.

Полистиреновое покрытие существенно более жестко, чем внеклеточный матрикс миокарда. Поэтому исследователи разработали специальную систему культивирования, основу которого составляет гидрогель. Мягкость гидрогеля была подобрана таким образом, чтобы сохранить естественную морфологию клеток. Трансгенные мышиные фибробласты выращивали как на полистирене, так и на гидрогелях различной жесткости. Чтобы получить индуцированные кардиомиоциты, в них вводили с помощью вирусных векторов гены четырех белков — факторов транскрипции, характерных для клеток сердца: Gata4, Mef2c, Tbx5 и hand2 (GHMT).

Наилучшим оказался гидрогель с жесткостью 8 кПа: через 4 недели культивации число сокращающихся кардиомиоцитов, полученных из фибробластов, на таком гидрогеле примерно вдвое больше, чем на более жестких субстратах. Анализ кардиомиоцитов, выращенных на таком гидрогеле, показал, что количество пейсмейкерных клеток при культивировании на гидрогеле не изменилось, однако возросло количество клеток, экспрессирующих сердечный тропонин T. Кроме того, клетки имели морфологию зрелых кардиомиоцитов, в отличие от кардиомиоцитов, выращенных на пластике.

Авторы проанализировали изменения экспрессии генов в кардиомиоцитах, выращенных на гидрогеле. Экспрессия генов, связанных с функционированием сердечной мышцы, в них была повышена, а генов, активных в фибробластах, напротив, снижена. Кроме того, снизилась экспрессия генов, кодирующих белки YAP и TAZ, которые активно синтезируются при выращивании клеток на жестких субстратах. Подавление YAP/TAZ увеличивает эффективность репрограммирования, способствуя снижению экспрессии генов, активных в фибробластах. Нокдаун генов, кодирующих YAP и TAZ, также увеличил долю зрелых кардиомиоцитов с саркомерной структурой и высоким уровнем экспрессии сердечного тропонина T, повысил долю пульсирующих клеток. В то же время активация пути YAP/TAZ подавляет репрограммирование фибробластов в кардиомиоциты даже при культивации на мягком субстрате.

Кроме того, в индуцированных кардиомиоцитах, выращенных на мягком субстрате, понижена активность сигнальных путей, в которых задействованы интегрины, Rho/ROCK и актомиозин. Подавление сигнальных путей Rho/ROCK и актомиозина приводило к снижению активности пути YAP/TAZ, что в итоге также повышало эффективность репрограммирования фибробластов в кардиомиоциты.

«После сердечного приступа заживающий миокард становится жестким из-за фиброза. Понимание того, как мягкость матрикса и механобиология влияют на перепрограммирование сердца, может помочь в клинических исследованиях. Прямое перепрограммирование сердечных фибробластов может позволить заменить у пациентов, выздоравливающих после инфаркта миокарда не способный к сокращению рубец функциональной мышцей», — говорит руководитель работы профессор Масаки Иеда из университета Цукуба.