Впервые созданы кардиоиды — самоорганизующиеся органоиды сердца

Органоиды, имитирующие различные органы, — прекрасная модель для изучения многих заболеваний человека. Коллектив австрийских ученых сообщил о создании самоорганизующихся структур, имитирующих человеческое сердце. Новый тип органоидов назвали кардиоидами.

Сначала авторы исследования создали двумерную модель сердца из человеческих плюрипотентных стволовых клеток. Воздействуя на основные сигнальные пути, активные в сердечной ткани, — пути ACTIVIN, костного морфогенетического белка (BMP), фактора роста фибробластов (FGF), ретиноевой кислоты (RA) и WNT — ученые последовательно преобразовали стволовые клетки в клетки мезодермы, сердечной мезодермы и пульсирующие предшественники кардиомиоцитов.

Затем исследователи приступили к поиску факторов, которые позволили бы создать трехмерную модель. Они смогли получить 3D-культуру, которая самостоятельно (без каркаса из соединительной ткани) и быстро собралась в бьющуюся структуру, содержащую полость, причем ее клетки экспрессировали основные белки-маркеры кардиомиоцитов. Эти кардиомиоциты содержали саркомеры и были соединены вставочными дисками.

Далее авторы работы приступили к изучению кардиоидов на молекулярном уровне. Анализ экспрессии генов показал, что ранние кардиомиоциты органоидов экспрессировали молекулярные маркеры, наиболее близкие к маркерам сердечной мезодермы, которая затем дает начало сердечной трубке — предшественнику левого желудочка и, в меньшей степени, предсердия. По мере созревания кардиоидов возрастал уровень экспрессии генов, кодирующих структурные белки, ионные каналы, а также β-адренергические рецепторы 1 и 2.

Биение кардиоидов начиналось на 5–7 день дифференцировки. Клетки полностью дифференцированных кардиоидов по профилю экспрессии генов соответствовали кардиомиоцитам. Изменяя концентрацию WNT, ACTIVIN и RA, можно направить дифференцировку кардиоидов в сторону структур, похожих на желудочки или предсердия.

Полость внутри кардиоидов начинала формироваться еще на стадии сердечной мезодермы до начала экспрессии основных структурных маркеров сердечной ткани, таких как MYL7. В процессе дифференцировки в кардиоидах появлялось множество полостей разного размера, которые затем сливаются. Важнейшим фактором, необходимым для самосборки кардиоидов, оказался белок HAND1.

Авторы работы показали, что криоповреждение кардиоидов приводит к некрозу и апоптозу. При этом кардиоид не перестает сокращаться. Повреждение запускает миграцию COL1A1+ фибробластов и накопление фибронектина, что является признаком начала регенерации и фиброза сердца.

Таким образом, ученые создали высокопроизводительную платформу, которая позволяет изучать механизмы развития сердца и его регенерации после повреждений.