Serce wykonuje ponad 3 mld uderzeń w ciągu całego naszego życia i w przeciwieństwie do innych układów nigdy się nie zatrzymuje. W kontekście Święta Zakochanych 14 lutego myślimy o przyspieszonym biciu serca, ale naukowcy z Instytutu Genetyki Człowieka PAN na co dzień pracują nad tym, by nasze serce pracowało w dobrym rytmie przez wiele lat. Przyszłością są modele tkankowe, inżynieria komórkowa m.in. model heart-on-a-chip czy makroskopowy model serca oraz terapie spersonalizowane.

Rozmowa z dr hab. n.med. prof. IGC Natalią Rozwadowską i dr. Tomaszem Kolanowskim z Instytutu Genetyki Człowieka PAN w Poznaniu

Czy badania genetyczne pomagają nam odpowiedzieć na pytania o przyczyny chorób serca?

– Badania genetyczne, to oczywiście ważny element diagnostyczny, który pozwala na zdefiniowanie przyczyn niektórych chorób serca. Niestety wiele przypadków chorób mięśnia sercowego to wynik stylu życia, gdzie element predyspozycji genetycznych gra pewną rolę, ale kluczowy jest wpływ środowiska. Do tej pory często jesteśmy bezradni w badaniu mechanizmów powstawania tych zjawisk, ze względu na ich wieloczynnikowość. Z tego też względu, tak ważne jest poznanie mechanizmów stojących za rozwojem chorób serca, tak, aby zaproponować skuteczne leczenie. Tym właśnie zajmujemy się w Instytucie Genetyki Człowieka PAN w Poznaniu – mówi dr hab. n. med. prof. IGC Natalia Rozwadowska

Które z kierunków badań naukowych mają obecnie największy potencjał w leczeniu chorób serca?

– Bardzo dobrze rozwija się perspektywa pozyskania autologicznych (własnych) komórek serca (kardiomiocytów). Jednocześnie, mając teraz nieograniczony dostęp do komórek serca pacjenta, naukowcy skupili się na rozwijaniu modeli i konstruktów tkankowych, które pozwalają na tworzenie „łatek” tkankowych, a przyszłości być może i całego organu. Jednocześnie modele tkankowe pozwalają nam coraz precyzyjniej modelować choroby serca, nie tylko te spowodowane wadami genetycznymi, ale również choroby wieku dojrzałego (np. niedokrwienie mięśnia czyt. zawał) – wyjaśnia dr hab. n. med. prof. IGC Natalia Rozwadowska

– W Instytucie Genetyki Człowieka pracują Państwo nad badaniami dotyczącymi in vitro tkanek serca. Na czym polegają te badania?

– W Instytucie Genetyki Człowieka PAN rozwijamy dwa z kilku typów istniejących modeli tkankowych serca. Olbrzymi rozwój inżynierii tkankowej to wynik odmiennego podejścia do regeneracji organów.  Zdajemy sobie już sprawę, że sam element komórkowy nie jest w stanie zorganizować i odbudować złożoności mięśnia sercowego. Wynika to m.in. ze sposobu funkcjonowania serca. W przeciwieństwie do innych układów, serce nie odpoczywa, wykonuje ponad 3 mld uderzeń w ciągu całego naszego życia i nigdy się nie zatrzymuje. Stwarza to ogromne problemy w aspekcie zasiedlenia uszkodzonej tkanki przez komórki. Dlatego właśnie spojrzenie naukowców w kierunku tkanek, które będzie można odpowiednio przygotować w laboratorium i przeszczepić w trakcie zabiegu. Inżynieria tkankowa wymusiła interdyscyplinarność badań. Coraz więcej biologów i genetyków musi posiadać własny warsztat matematyczno-techniczny, a także współpracować z inżynieriami, fizykami czy chemikami. Dzięki temu, na bieżąco wykonujemy obliczenia związane z elastycznością tkanek czy też ich dopasowania elektrofizjologicznego do dojrzałego mięśnia sercowego.

W jednym z naszych badań rozwijamy model heart-on-a-chip, który skupia się przede wszystkim na precyzyjnej kontroli środowiska życia komórek. Dzięki temu pozwala on nam na naśladowanie czynników rozwojowych tkanek czy też czynników patologicznych, wpływających na uszkodzenie tkanek (np. kontrolowane obniżenie stężenia tlenu występujące przy zawale).

Drugim modelem rozwijanym w naszym laboratorium jest makroskopowy model serca (ang. Engineered Heart Tissue, EHT). Dzięki połączeniu różnego rodzaju komórek serca z macierzą tkankową jesteśmy w stanie stworzyć tkanki, które następnie poddajemy treningowi. Po takim kilkutygodniowym treningu tkanki, które uzyskujemy, nie są już tylko kilkucentymetrowym zlepkiem komórek i białek macierzy, ale są dużo bardziej dojrzałymi fragmentami tkanek serca. W ten sposób jesteśmy w stanie modelować procesy rozwojowe, a także choroby dziedziczne – wyjaśnia dr Tomasz Kolanowski.

Jakie są zastosowania modeli tkankowych oraz heart-on-a-chip w terapiach dla pacjentów?

– Pierwszym z zastosowań modeli tkankowych i heart-on-a-chip jest ich wykorzystanie do badania bezpieczeństwa leków. Jest to jedno z podstawowych zadań przy wprowadzaniu każdego nowego leku. Do tej pory jedynym wymaganym modelem były modele zwierzęce, jednak ze względu na różnice w fizjologii, substancja, która nie stanowi żadnego problemu dla zwierząt, może okazać się toksyczna dla człowieka. Już w tej dekadzie planowane jest wprowadzenie przez instytucje regulatorowe dodatkowych modeli sprawdzających bezpieczeństwo leków. Tymi modelami są właśnie modele tkankowe oraz heart-on-a-chip. Zastosowanie tych modeli do użytku przez przemysł farmaceutyczny, będzie pierwszym wymiernym efektem obserwowanym przez każdego z nas w niedalekiej przyszłości – wyjaśnia dr hab. n.med. prof. IGC Natalia Rozwadowska.

Kolejnym realnym skutkiem badań nad modelami tkankowymi i heart-on-a-chip jest rozwój terapii eksperymentalnych dla pacjentów z dziedzicznymi kardiomiopatiami. Już teraz, dzięki tym modelom (EHT), naukowcy starają się doradzać, która terapia dla danego pacjenta może być najskuteczniejsza. Jest to element rozwijanego już od wielu lat pojęcia terapii spersonalizowanych. W przyszłości liczymy, że uda się przenieść te modele, z laboratorium do praktyki rozwoju nowych terapii farmakologicznych. Oczywiście, są też badania dotyczące transplantacji fragmentów tkankowych do pacjentów, celem regeneracji mięśnia sercowego, pierwsze takie badanie kliniczne prowadzone jest przez zespół prof. Zimmermana, w Getyndze, gdzie miałem okazję przebywać na stażu podoktorskim – mówi dr Tomasz Kolanowski.

Oczywiście, biorąc pod uwagę zastosowania kliniczne, ostatecznym celem będzie stworzenie w laboratorium całego serca, gotowego do przeszczepu, ale to jest jeszcze kwestia przyszłości. Z naszej perspektywy, ważne jest, że cel mamy już jasno zdefiniowany, a narzędzia do jego realizacji są coraz bardziej zaawansowane. Wierzę, że w przeciągu kilkunastu lat cel ten osiągniemy – podsumowuje dr hab. n. med. prof. IGC Natalia Rozwadowska.