Komórki macierzyste zostały okrzyknięte mianem zbawcy dla uszkodzonych serc, jednak obecnie wydaje się, że serce może poprawić się samo – przy akompaniamencie odpowiedniej stymulacji. To o czym myślę zaczyna się powoli, z lekkim dyskomfortem, który narasta, aż czuje się go coraz intensywniej wokół klatki piersiowej. Ból promieniuje na lewą rękę i bark, a także na tył głowy. Czujesz nudności, zawroty głowy oraz duszności. Kiedy ból przeminie można się zastanawiać co u diaska właśnie się wydarzyło. W pewnym sensie można być szczęśliwym – właśnie przeżyłeś atak serca.
Jednakże to nie koniec twoich kłopotów. Kiedy dopływ krwi do części serca został zablokowany, komórki mięśni w tym miejscu obumarły. Jako martwe komórki są zastępowane przez blizny, co powoduje coraz większe napięcie na resztę sera, powodując jego powolny upadek. Jest to los, który spotyka miliony ludzi na całym świecie. Jednakże, jeśli martwe rejony ich serc mogłyby być zastąpione nową tkanką mięśniową, ich życia mogłyby być odmienione. Kilka lat temu wydawało się, że l mogą mieć na to odpowiedź. Mieli nadzieję, że uszkodzone serca mogą być naprawione przez wyodrębnienie komórek macierzystych od ludzi i wstrzyknięte ich do serca.
Złą wiadomością w tych zastosowaniach był fakt, że prowadziły one jedynie do niewielkiej poprawy, a cała praca nie była prowadzona w żyłach. Z czasem doprowadziło to do serii odkryć, które dają obietnicę odnalezienia lepszych sposobów na regenerowanie serca.
W nie tak odległej przeszłości, kilku badaczy rozbudziło nadzieję regenerowania serca. Kiedy niektóre ryby i płazy mają umiejętność wyhodowania nowych mięśni jeśli ich serca zostały uszkodzone, to jednak ssaki takiej możliwości nie posiadają. W uszkodzonym ludzkim sercu komórki uparcie odmawiają ponownego odrośnięcia.
Jednak co by się stało, gdyby rozwijać nowe komórki poza ciałem człowieka i zachęcić je potem, aby wszczepiły się w mięsień sercowy? Ten koncept pojawił się w 2000 roku, kiedy okazało się, że komórki macierzyste w naszym szpiku mają potencjał, aby przekształcić się w komórki mięśnia sercowego. Jeśli wyodrębni się te komórki macierzyste i wstrzyknie do serca, to według tego konceptu, zamienią się one w mięsień oraz zastąpią uszkodzoną tkankę. “Eksperyment przeszedł przez fazę – mamy komórki, będziemy wstrzykiwać”, mówi Rahul Aras, szef Juventas Therapeutics w Cleveland, Ohio.
Podczas gdy wczesne próby na zwierzętach dały można rzecz dramatyczne rezultaty, to testy na ludziach są do tej pory rozczarowujące. Wszelkie poprawy czynności serca są zazwyczaj znikome, a u niektórych ludzi – po wstrzyknięciu niektórych rodzajów komórek – rozwinęła się arytmia serca. Jednakże biolodzy nie zawiesili prób znalezienia sposobu na naprawę serca z użyciem komórek macierzystych. Niektórzy eksperymentują z odmiennymi rodzajami, jak na przykład z zarodkowymi komórkami macierzystymi. Inni uważają, że wprowadzenie komórek do organizmu nie jest potrzebne w ogóle. Zamiast tego, jeśli będziemy mogli odkryć odpowiednie formy sygnałów, moglibyśmy przekonać istniejące komórki macierzyste w naszych ciałach, aby się pomnożyły, przetransportowały do serca i je naprawiły.
Jest nadzieja, że komórki będą działać w sercu “po swojemu” przez dni czy tygodnie, co może być lepszym rozwiązaniem od aplikowania jednej masywnej dawki komórek macierzystych. Jeśli forma “in situ” terapii komórkami macierzystymi okazałaby się skuteczna, miałaby wiele innych zalet, górując nad metodą wstrzykiwania komórek. Początkowo, nie byłoby potrzeby, aby ekstraktować szpik kostny, co jest bolesną procedurą, a także uniknięto by ryzyka, że komórki macierzyste zostałyby zakażone i prowadziły do niebezpiecznych mutacji wewnątrz organizmu. Byłoby łatwiej również dopasować to podejście do leczenia większej ilości osób.
Lekarze od dłuższego czasu stosują leki, aby pobudzić szpik kostny do produkcji większej ilości komórek macierzystych krwi. Opierając się na tej pracy, Sara Rankin z Imperial College London w 2009 roku, wraz w kolegami, wykazała, że pewne kombinacje czynników chemicznych zmieniają szpik kostny myszy, w ten rodzaj komórek macierzystych, które mają możliwość zmieniania się w mięśnie. Ten sam chemiczny koktajl uwalnia również komórki prekursorowe śródbłonka, które pomagają formować nowe naczynka krwi, a więc mogą być również odpowiedzialne za odbudowywanie ilości krwi dostarczanej do serca. “Uważamy, że te komórki są mobilizowane w wypadku normalnych obrażeń, a my chcemy wzmocnić ten efekt”, mówi Rankin.
Ta procedura uwalnia dosłownie powódź komórek macierzystych w ciągu kilku godzin. Będzie to widoczna operacja, jednakże dopiero się okaże, czy w znaczący sposób będzie ona pomocna w leczeniu ludzi. Niektórzy uważają, że na tym etapie najważniejsze jest skłonienie komórek macierzystych, aby przesunęły się tam gdzie są potrzebne.
Komórki macierzyste szpiku kostnego są znane z wiązania się z białkiem zwanym SDF-1, znajdującym się na powierzchni innych komórek. Wiele przedsiębiorstw – w tym Juventas Therapeutics – ma nadzieję ukierunkować te komórki do miejsc uszkodzeń tkanki, aby mogły wejść w reakcję z SDF-1. Dzięki temu komórki macierzyste mogłyby pozostać w pożądanym miejscu oraz naprawić uszkodzenie. “Wprawione w ruch komórki macierzyste nie wiedzą jednak dokąd mają podążać”, mówi Aras. “Tak więc tworzymy obecnie formę latarni czy sygnału w miejscu, w którym uszkodzenie miało miejsce, tak, aby te krążące komórki mogły odnaleźć swój cel”.
W pierwszej fazie prób, fragmenty DNA zawierające geny z SDF-1 były wstrzykiwane w serce 17 ludzi, cierpiących na zaburzenia pracy serca. Rezultatem była tymczasowa produkcja SDF-1 u niektórych komórek serca. W zeszłym roku firma farmaceutyczna ogłosiła, że leczenie to okazało się bezpieczne i dało pozytywne rezultaty, aczkolwiek te dane muszą zostać potwierdzone przez bardziej obszerne badania.
W teorii najlepsze wyniki mogą przyjść z połączenia dwóch form leczenia – wydobywania szpiku kostnego, aby uwolnić więcej komórek macierzystych oraz utrzymywanie ich więcej w sercu, w miejscach, gdzie są one potrzebne. Jednakże w tej historii jest też zwrot wydarzeń. Cała idea stojąca za tą formą leczenia, że komórki produkowane przez szpik będą formować nowy mięsień sercowy, wydaje się błędna. “Serce jest złożonym i wysoce zorganizowanym organem”, mówi Brock Reeve z Harvard Stem Cell Institute (brat znanego aktora Christophera Reeve). “Nawet jeśli ludzie są w stanie wytworzyć komórki mięśnia sercowego w warunkach in vitro, to komórki macierzyste wstrzyknięte do ciała nie są w stanie przeorganizować się tworząc tkankę sercową”.
Mimo to w praktyce często pomagają. “Wiele prac pokazało, że te komórki macierzyste mogą stymulować do naprawy tkanek w sercu, które obumarły po ataku serca, nie stając się jednocześnie częścią tej tkanki”, odpowiada Rankin.
Obecnie uważa się, że komórki macierzyste pochodzące ze szpiku pomagają przez uwalnianie czynników sygnalizujących, które wpływają na lokalne komórki, inicjując samonaprawę, na przykład poprzez wytwarzanie nowych naczyń krwionośnych. Juventas Therapeutics uważa, że testy ze zwierzętami potwierdzają wzrost ilości produkowanych naczyń krwionośnych. Chociaż korzystne działanie komórek szpiku kostnego nie jest wystarczające dla odtworzenia około miliarda komórek utraconych podczas poważnego zawału serca, to jest to zapewne dobry początek.
W szczególności komórki macierzyste szpiku mogą stymulować podział komórek macierzystych podobnych do tych, które już zamieszkują serce. Do niedawna pogląd na istnienie takich rezydujących komórek był rzadki, o ile w ogóle był wspominany. Teraz jest jasne, że zamiast urodzić się ze wszystkimi komórkami serca jakie kiedykolwiek będziemy mieć, to jest to powolny proces zastępowania i wymiany komórek sercowych w ciągu całego życia. Obecne obliczenia mówią o 1 procencie zastępowanym co roku dla ludzi w wieku około 25 lat, jednakże ten wynik procentowy spada wraz z procesem starzenia.
“Ludzkie serce nie jest statycznym organem, tak jak kiedyś myślano”, mówi Paul Riley z Oxford Stem Cell Institute w Wielkiej Brytanii. W ciągu minionej dekady, naukowcy zaczęli postrzegać komórki macierzyste serca jako zdolne do odnowienia się. Niektóre grupy badaczy mają nadzieję leczyć pacjentów przez ekstrakcję komórek macierzystych serca, hodowanie ogromnej ich liczby w warunkach laboratoryjnych, a następnie wstrzyknięcie ich ponownie do serca danego osobnika. Powołując się na dziennika The Lancet (wydanie 378), pierwsze testy na ludziach dały zachęcające rezultaty.
Pomimo, że sercowe komórki macierzyste mogą dać lepsze efekty w leczeniu, to przetrzymywanie ich wiąże się z ryzykiem. Jedna z prób odbyła się z użyciem komórek macierzystych serca wydobytych z małego kawałka tkanki sercowej podczas operacji kardiologicznej pomostowania aortalno-wieńcowego. Gdybyśmy byli w stanie identyfikować chemiczne znaki, możliwe, że nie byłoby konieczne wydobywanie komórek macierzystych z serca. “Musimy jedynie dopasować się do mechanizmów, które spowodowały, że te komórki się wywróciły i pokierować je naprzód”, mówi kolokwialnie Riley.
Właśnie on zidentyfikował populację komórek macierzystych w nasierdziu (inne określenie na blaszkę trzewną osierdzia surowiczego), stanowiącym zewnętrzną warstwę tkanek serca. Te komórki mogą przekształcić się w nowe komórki mięśnia sercowego po ataku serca.
Co jest jeszcze ciekawsze, to fakt, że Riley odkrył sposób na bezpośrednie aktywowanie tych komórek. Odnalazł on substancję chemiczną o nazwie tymozyna beta-4 (rodzaj białka, zakodowanego u ludzi przez gen TMSB4X), która jest znana ze wspierania rozwoju krwinek w embrionie. Ma również właściwości uruchomienia produkcji nowych naczyń krwionośnych oraz mięśnia sercowego u dorosłych myszy. “Jest to bardzo istotne, gdyż aby naprawić szkody spowodowane atakiem serca, potrzebujesz zastąpić zarówno naczynia krwi, jak i tę część mięśnia, która została utracona”, kontynuuje Riley.
Niestety efekt działania tymozyny bera-4 jest stosunkowo słaby u dorosłych osobników, tak więc nie jest ona cudownym lekiem. Niemniej prace Riley’a są ważny dowodem na działanie tej koncepcji. Pokazują one, że faktycznie jest możliwe użycie chemicznych czynników w celu przyspieszenia samouzdrawiającej siły naszego serca. W obecnej chwili zespół badaczy, którym przewodzi, pracuje nad odnalezieniem cząsteczek, które będą mogły wzmocnić ten efekt.
Jeszcze bardziej entuzjastycznie traktowane dowody przychodzą z Southwestern University w Dallas za pośrednictwem Heshama Sadeka. W zeszłym roku, dokonał on dość makabrycznego eksperymentu. Dzień po urodzeniu, znieczulił on dziecko myszy i umieścił na lodzie do czasu, aż przestało oddychać, a jego serce przestało bić. Następnie odciął 15 procent dolnej części serca, otwierając komory. W ciągu kilku minut powstała twardawa błona, która uformowała się na ranie, zamykając komory od środka. Kiedy zwierzę zaczęło się ponownie ogrzewać – wróciło do życia.
To co się stało potem zaskoczyło biologów. W ciągu następnych tygodni błonka ta zaczęła znikać, a w jej miejsce zaczął rosnąć nowy mięsień sercowy. W zaledwie trzy tygodnie od momentu kiedy kawałek ten został amputowany, serce myszy całkowicie się zregenerowało (Science, wydanie 331). “Wyglądało całkowicie normalnie – nie do rozróżnienia od normalnego serca”, powiedział Sadek.
Nie była to jednak jedyna niespodzianka. Brakująca część mięśnia sercowego nie została zastąpiona przez komórki macierzyste, ale przez istniejące komórki sercowe, które w jakiś sposób zostały zmobilizowane do podzielenia się. “Odkryliśmy, że dzielą się one bardzo gorliwie w nowonarodzonym sercu, jednak coś się dzieje, że po pewnym okresie ta zdolność do podziału się wyłącza, tak więc w dorosłym sercu powolne przywracanie komórek jest prowadzone przez populację komórek macierzystych”, kontynuuje Sadek. “Jest to więc przysłowiowe pytanie za milion dolarów – co powoduje, że komórki zaczynają się dzielić?”.
Pojawiają się już pierwsze wskazówki. Małe skrawki RNA, nazywane mikroRNA, odgrywają wielką rolę w kontrolowaniu aktywności komórek. Poprzez sprawdzanie co dzieje się w sercu podczas pierwszych dni życia myszy, Sadek oraz jego współpracownicy, zidentyfikowali grupę microRNA, która reguluje podział komórek serca mięśniowego. Elementy należące do rodziny niekodującego RNA – miR-15 – u nowonarodzonej myszy przyspieszono podział tych komórek. Obecnie zespół szuka odpowiedzi na pytanie co dzieje się, kiedy miR-15 jest zablokowany w organizmie dorosłej myszy, jednakże Sadek nie chcę dyskutować o rezultatach zanim oficjalne wyniki nie zostaną opublikowane.
Nawet jeśli serce myszy może się regenerować, to nie ma gwarancji, że taki sam proces okaże się prawdziwy wśród ludzi. Jednakże Sadek twierdzi, że kontaktował się w kilkoma kardiologami i chirurgami prowadzącymi operację na otwartym sercu, którzy po zapoznaniu się z wynikami jego badań, przekazali, że niemowlęta dużo lepiej powracają po poważnych operacjach na sercu, jeśli są one wykonane w ciągu pierwszych trzech miesięcy życia, a nie tak dobrze jeśli do zabiegu dojdzie później. Sugeruje to, że ludzkie serce również posiada podobne siły do regeneracji we wczesnym etapie życia.
“Fakt, że to się wydarzyło oznacza, że być może jesteśmy w stanie pójść dalej”, mówi Sadek, który ma nadzieję śledzić los komórek u dzieci, które przechodzą operację na sercu. “Mentalny blok jaki mieliśmy, dotyczący, że serce ssaków się nie regeneruje, zniknął”.
Wszystkie te odkrycia prowadzą do znaczących zmian w myśleniu. Jest jeszcze daleka droga, zanim te formy zaczną pomagać ludziom z chorobami serca, jednak przynajmniej w teorii, zabiegi oparte na stymulacji serca, do samonaprawienia, powinno być bezpieczniejsze i tańsze od wstrzykiwania komórek macierzystych. W dalszej perspektywie, ma ono potencjał, aby pomóc znacznie większej ilości ludzi.
A serce może być tylko początkiem. Jeśli ono potrafi się samo zregenerować, to dlaczego nie mogłyby inne organy takie jak mózg? Te badania ukazały, że ciało ssaków posiada wiele przysłowiowych asów w rękawie. Nie powinniśmy ani ignorować, ani nie doceniać możliwości naszych organizmów, które niejednokrotnie mają możliwość nas zaskoczyć.
Źródła
- The Lancet: www.thelancet.com
- Nature: www.nature.com/nature
- Science: www.sciencemag.org
- Circulation Research: circres.ahajournals.org
- Cardiology Research and Practice: www.hindawi.com/journals/crp