Механизм развития диабетической кардиомиопатии плода изучили на органоидах сердца

Среди врожденных аномалий развития человека наиболее часто встречаются врожденные пороки сердца (ВПС). Одним из факторов риска появления этой патологии является нарушение углеводного обмена матери — прегестационный сахарный диабет (ПСД). Сердце эмбриона формируются рано — с четвертой по девятую недели гестации. В это время ткани развивающегося органа наиболее уязвимы для патогенного воздействия гипергликемии.

ПСД развивается до беременности или в течение первого триместра гестации. У новорожденных детей таких женщин вероятность наличия ВПС в 12 раз выше, чем в общей популяции. При этом ПСД сложно контролировать, так как эмбрион очень чувствителен к колебаниям уровня глюкозы в крови. Для изучения процесса формирования сердца в условиях ПСД авторы статьи в Stem Cell Reports создали модель сердца — органоид — и наблюдали за изменениями, происходящими в нем под действием высокого уровня глюкозы.

Целью исследователей было создание модели, способной показать приближенную к реальности картину ПСД-индуцированных процессов в сердце эмбриона. Из стволовых клеток они вырастили органоиды, достаточно точно повторяющие этапы эмбриогенеза сердца, происходящие в первый триместр. Ученые поместили две группы органоидов в нормогликемическую и гипергликемическую среды и в течение 14–15 дней наблюдали за дифференцировкой клеток. Так, с помощью иммунофлуоресцентного метода они обнаружили значительное увеличение (на 27%) размера кардиомиоцитов в условиях, имитирующих ПСД, по сравнению с клетками в нормогликемической среде.

Затем авторы исследовали экспрессию транскрипционных факторов, ключевых в эмбриогенезе сердца (HAND1, HAND2, GATA4 и др.). Клетки в гипергликемической среде отличались аномальной экспрессией этих факторов. Экспрессия генов транспортеров глюкозы также была нарушена: уровень SLC2A1, в норме особенно активного в эмбриональном сердце, оказался снижен в ранние дни дифференцировки. Это может быть признаком нарушения гликолиза и транспорта глюкозы в ПСД-кардиомиоцитах.

Степень васкуляризации органоида, оцененная с помощью иммунофлуоресцентной окраски белка PECAM1 (маркера эндотелиальных клеток), оказалась менее выраженной и организованной в гипергликемической среде по сравнению с контролем. Сравнивались и функциональные показатели (по изменению концентрации кальция) — частота сердечных сокращений в диабетическом органоиде была снижена, наблюдались частые эпизоды аритмии.

Для изучения воздействия ПСД на отдельные виды клеток сердца авторы провели РНК-секвенирование единичных клеток, в результате которого выделили семь отдельных популяций. Из них обращало на себя внимание снижение числа кардиомиоцитов и увеличение числа клеток эпикарда в органоиде, инкубированном в условиях ПСД.

Далее авторы проанализировали дифференциальную экспрессию генов — наибольшие отклонения наблюдались в экспрессии генов кардиомиоцитов, что указывает на высокую чувствительность этих клеток эмбриона к гипергликемии.

Они изучили взаимодействия между клетками разных типов. Оказалось, что эпикардиальные клетки значительно меньше «общались» с другими клетками в диабетическом органоиде, чем в нормальном. Авторы подозревают, что нарушение функции клеток эпикарда может играть критическую роль в эмбриогенезе сердца в условиях ПСД.

Ученые также исследовали такое явление, как «стресс» эндоплазматического ретикулума (ЭПР) в кардиомиоцитах как результат гиперпродукции АФК. Основной показатель ЭПР-стресса — инозитол-зависимый фермент 1 (IRE1), его активация путем фосфорилирования в мембране ЭПР при стрессе ведет к разрушению мРНК, локализованных в ЭПР. Уровень фосфорилированной формы IRE1 был повышен в клетках при ПСД, из чего следует вывод, что при диабете ЭПР-стресс более выражен, чем в норме.

Кроме того, с помощью жидкостной хроматографии с масс-спектрометрией были выявлены нарушения в синтезе омега-3 полиненасыщенных жирных кислот (ПНЖК), таких как эйкозапентаеновая и докозагексаеновая кислоты, которые незаменимы в процессе развития сердца.

Тогда авторы попытались найти связь между ЭПР-стрессом и дисбалансом ПНЖК, так как гладкий ЭПР играет большую роль в синтезе жирных кислот. При оценке экспрессии генов десяти ферментов, участвующих в синтезе липидов и функционирующих в ЭПР, были обнаружены значительные нарушения многих из них, в том числе снижение экспрессии FADS2. Этот ген кодирует дельта-6-десатуразу — ключевой фермент синтеза ПНЖК в ЭПР. Участие IRE1 в разрушении мРНК этого фермента подтвердили путем нокаута гена IRE1 в модифицированной линии стволовых клеток, а также воздействием на него селективным ингибитором, в результате чего уровень фермента был восстановлен.

Наконец, опираясь на полученные данные, исследователи протестировали несколько вариантов терапии ПСД-индуцированных изменений в сердце эмбриона. Они воздействовали на диабетические органоиды тауроурсодезоксихолевой кислотой (TUDCA), комбинацией омега-3 ПНЖК и сапроптерином (BH4). Всем трем веществам удалось значительно снизить степень гипертрофии кардиомиоцитов и восстановить экспрессию FADS2. Омега-3 ПНЖК и BH4 также снизили показатели ЭПР-стресса. Эти вещества можно потенциально использовать в виде пищевых добавок для женщин в первом триместре беременности.

Результаты исследования могут стать отправной точкой в создании новых профилактических и терапевтических стратегий для снижения распространенности ВПС. Авторы статьи подчеркивают особую ценность органоида сердца в качестве модели для изучения человеческих болезней и разработки лекарств.

Органоиды человека прижились в мозге крысы