Международная группа ученых разработала искусственный орган, который позволяет выяснить, как клетки сосудов реагируют на их сокращения в норме и при заболеваниях. С его помощью они выяснили, что при одном из генетических заболеваний, сопровождающихся преждевременным старением (прогерии Хатчинсона-Гилфорда), механическое растяжение клеток приводит к их воспалению.

Прогерия Хатчинсона-Гилфорда — чрезвычайно редкое врожденное заболевание (не более 80 случаев во всем мире), при котором из-за мутации гена возникает дефект белка ламина А, входящего в состав оболочки клеточного ядра. Это приводит нарушению репарации ДНК, другим биохимическим дефектам и, как следствие, к стремительному старению организма, которое начинается в детском возрасте. Такие пациенты задерживаются в росте, у них деформированный скелет, морщинистая кожа, атрофичная подкожная клетчатка, быстро развиваются нарушения обмена веществ, поражение миокарда и атеросклероз. Средняя продолжительность жизни составляет 13 лет, причиной смерти, как правило, становятся сердечно-сосудистые заболевания.

Сильнее всего подвержены ускоренному старению клетки сосудистых стенок, которые постоянно расширяются и сокращаются под действием пульсовых волн, причем если в норме гладкомышечные клетки сосудов растягиваются на девять процентов, то при патологии этот показатель может доходить до 15 процентов. Какую роль в старении клеток играет подобная динамичная среда, до сих пор было известно недостаточно. Животные модели полохо подходят для изучения этогог процесса, поскольку условия в сосудах и связанные со старением молекулярные изменения у них не полностью соответствуют человеческим.

Чтобы разобраться в этом вопросе, сотрудники Массачусетского технологического института с коллегами из США, Португалии, Нидерландов и Франции создали орган-на-чипе, который симулирует естественные движения сосудистой стенки в различных условиях. Устройство из полидиметилсилоксана имеет размеры 40×18 миллиметров и состоит из двух камер, разделенных эластичной перегородкой. Одна из камер содержит прямой канал размером 25×1 миллиметр, покрытый фибронектином для адгезии клеток и выполняющий роль кровеносного сосуда, через который пропускают питательную жидкость. Другая представляет собой замкнутую полость, в которой циклически создается отрицательное давление в пределах от 0 до 50 килопаскалей, что имитирует сокращения и растяжения сосуда.

Устройство сосуда-на-чипе

Ученые заселили «сосуд» гладкомышечными клетками, дифференцированными из индуцированных плюрипотентных стволовых клеток, которые получили из фибробластов здоровых людей и пациентов с прогерией, после чего подвергли их цикличным растяжениям. Уже через 24 часа клетки начали выстраиваться перпендикулярно направлению механической силы и соединяться друг с другом, как в живом кровеносном сосуде.

Выяснилось, что в здоровых клетках и физиологическое, и патологическое растяжение привело к уменьшению уровня ламина А. В отличие от них, в клетках пациентов с прогерией физиологическое растяжение приводило к небольшому повышению уровня дефектного варианта этого белка — прогерина, а патологическое — к снижению экспрессии прогерина и повышению — нормальной формы ламина А.

Рост здоровых (сверху) и дефектных гладкомышечных клеток сосудов без динамических нагрузок и при патологическом растяжении

Кроме того, оказалось, что накопление прогерина приводит к увеличению механочувствительности гладкомышечных клеток и, как следствие, воспалительному ответу в них. В частности, в клетках с дефектным геном циклическое 16-процентное растяжение вызывало повышенную экспрессию маркеров воспаления IL6, IL1B и JUN, маркера гипертонического повреждения сосудов CAV1, а также рост числа повреждений ДНК, чего не наблюдается при культивировании без механической нагрузки и в здоровых клетках. В эксперименте с органом-на-чипе ученым удалось обратить подобный воспалительный ответ в дефектных клетках противоатеросклеротическим препаратом ловастатином и экспериментальным ингибитором фарнезилтрансферазы лонафарнибом, подавляющим синтез прогерина.

«Созданная платформа подходит для изучения роли биомеханики в сосудистой биологии, в частности в условиях заболеваний сосудов и старения, при этом облегчая поиск новых лекарств и мишеней для терапии», — пишут авторы работы.

Недавно ученым удалось обратить старение и продлить жизнь мышей с моделью прогерии временным «включением» факторов транскрипции, преобразующих зрелые клетки в стволовые (так называемых факторов Яманаки по имени нобелевского лауреата, разработавшего технологию получения индуцированных плюрипотентных стволовых клеток).