Искусственная мышца поможет изучить миодистрофию Дюшенна

Мышечная дистрофия Дюшенна (МДД) — прогрессирующее заболевание мышц, приводящее к их повреждениям и потере функций. Средняя продолжительность жизни людей с МДД составляет около 30 лет, и лечения в настоящее время не существует. Для разработки терапии необходимы модели, точно воспроизводящие патогенез заболевания. В качестве такой модели испанские ученые предложили искусственную мышцу, созданную методами тканевой инженерии.

Само заболевание обусловлено мутациями в гене, кодирующем белок дистрофин. Этот белок соединяет цитоскелет с сарколеммой — ее хрупкость считается основным следствием недостатка дистрофина — и базальной пластинкой внеклеточного матрикса. Ослабление сарколеммы, в свою очередь, приводит к повреждению мышечных волокон во время сокращения. Чтобы подробно изучить процессы, происходящие в мышечной ткани при МДД, исследователи сконструировали из клеток пациента с этим заболеванием трехмерную искусственную мышцу (в качестве контроля использовали клетки здорового донора). Они использовали иммортализованные мышечные клетки-предшественники, из которых получали трехмерную структуру при помощи гидрогеля. Ее формирование происходило в квадратных лунках с двумя опорами — клетки постепенно занимали нужное положение в матрице из фибрина и гидрогеля, после чего их инкубировали в среде для дифференцировки в течение недели. За это время клетки формировали многоядерные мышечные трубочки — это авторы работы подтвердили иммунофлуоресцентным окрашиванием на α-актинин. Также ученые убедились в том, что дистрофин экспрессировался только в контрольных мышечных волокнах, но не в тех, что были получены из клеток пациента с МДД.

Затем исследователи оценили функциональность полученных мышечных структур, проверив их сократительную способность. Электрическая стимуляция вызывала сокращение мышечных волокон и приводила к деформации опор, между которыми они были растянуты. Поскольку повреждение сарколеммы при МДД происходит при сокращении мышц, следующим шагом ученых стала характеризация таких повреждений в разработанной модели. Чтобы выяснить, индуцируется ли повреждение сарколеммы в 3D-модели скелетных мышц при МДД после стимуляции электрическим током, они использовали EBD — флуоресцентный маркер, который связывается с внеклеточными белками, такими как альбумин, и служит для оценки повреждений мышечных волокон in vivo.

Анализ показал, что в тканях с дефицитом дистрофина (модель МДД) сарколемма не повреждалась при кратковременной (5 минут) сократительной активности или в ее отсутствие. Однако после 15 минут сокращений окрашивание EBD было значительно интенсивнее, чем в контроле. Полученные результаты свидетельствуют о том, что повреждение сарколеммы индуцируется в 3D-модели скелетных мышц при МДД в случае длительных сокращений.

Исследователи также протестировали один из терапевтических подходов к МДД. Недостаток дистрофина может частично компенсироваться оверэкспрессией его структурного и функционального паралога — атрофина — в мышечных тканях. Повысить экспрессию атрофина можно с помощью малых молекул, таких как эзутромид или галофугинон. Ученые подтвердили, что его уровень возрастал после обработки модельной ткани эзутромидом, однако в таких тканях снижалась сократительная способность. Результаты опытов с различными концентрациями галофугинона и эзутромида позволяют предположить, что оба этих препарата не являются оптимальными терапевтическими кандидатами из-за токсического воздействия на мышцы.

В качестве альтернативы авторы исследования испытали еще одну малую молекулу, полученную частной фармацевтической компанией SOM Innovation Biotech S.A. Это соединение увеличивало уровень атрофина в модели МДД, а также повышало сократительную способность мышечной ткани. Однако обработка этим соединением мышц, моделирующих МДД, не сказывалась на повреждении сарколеммы при длительной (15 минут) сократительной активности. Ученые предполагают, что улучшение функциональности мышц, вызванное этой малой молекулой, происходит за счет иного механизма, не связанного с хрупкостью сарколеммы.

Хотя работа и не выявила потенциальных терапевтических агентов, которые препятствовали бы повреждению сарколеммы при МДД, авторы подчеркивают ценность самой разработанной модели. «Новизна данного исследования состоит в нашей попытке смоделировать основную причину заболевания — повреждение сарколеммы, мембраны мышечных клеток. Для нас было очень важно воспроизвести это в лабораторных условиях, и мы успешно справились с этой задачей. Прежде такого сделать не удавалось», — комментирует Хуанма Фернандес Коста, ведущий автор работы.

Цитата по пресс-релизу

Вена-на-чипе облегчит изучение тромбоза глубоких вен