Выращенная в лаборатории ткань вскоре позволит исследователям тестировать новые лекарства и изучать заболевания в функционирующих мышцах человека за пределами человеческого тела.
Исследование возглавляли Ненад Бурсак, доцент кафедры биомедицинской инженерии в Университете Дьюка, и Лоран Мэдден, научный сотрудник лаборатории Бурсака. Напечатано 13 января в журнале открытого доступа eLife
«Прелесть этой работы в том, что она может служить испытательной площадкой для клинических испытаний на тарелке», — сказал Бурсак. «Мы работаем над проверкой эффективности и безопасности лекарств, не подвергая опасности здоровье пациента, а также над воспроизведением функциональных и биохимических сигналов болезней — особенно редких и тех, которые затрудняют взятие мышечной биопсии."
Бурсак и Мэдден начали с небольшого образца человеческих клеток, которые уже вышли за рамки стволовых, но еще не стали мышечной тканью.
Они расширили эти «миогенные предшественники» более чем в 1000 раз, а затем поместили их в поддерживающую трехмерную основу, заполненную питательным гелем, которая позволила им сформировать выровненные и функционирующие мышечные волокна.
«У нас есть большой опыт создания биоартификационных мышц из клеток животных в лаборатории, и нам все еще потребовался год на корректировку таких переменных, как плотность клеток и геля, а также на оптимизацию культуральной матрицы и среды, чтобы это работало с человеческими мышечными клетками», — сказал Madden.
Мэдден подверг новую мышцу шквал тестов, чтобы определить, насколько она похожа на родную ткань внутри человеческого тела.
Она обнаружила, что мышцы сильно сокращаются в ответ на электрические стимулы — впервые для мышц, выращенных в лаборатории. Она также показала, что сигнальные пути, позволяющие нервам активировать мышцы, были неповрежденными и функциональными.
Чтобы увидеть, можно ли использовать мышцу в качестве прокси для медицинских тестов, Бурсак и Мэдден изучили ее реакцию на различные лекарства, включая статины, используемые для снижения холестерина, и кленбутерол, препарат, который, как известно, использовался не по назначению в качестве усилителя производительности для спортсмены.
Эффекты препаратов соответствовали эффектам, наблюдаемым у людей. Статины имели дозозависимый ответ, вызывая аномальное накопление жира при высоких концентрациях.
Кленбутерол показал узкое благоприятное окно для увеличения сокращения. Оба эти эффекта были зарегистрированы у людей. Кленбутерол не вредит мышечной ткани у грызунов в этих дозах, показывая, что выращенные в лаборатории мышцы давали поистине человеческий ответ.
«Одна из наших целей — использовать этот метод для предоставления пациентам индивидуальной медицины», — сказал Бурсак. "Мы можем взять биопсию у каждого пациента, вырастить много новых мышц, чтобы использовать их в качестве тестовых образцов, и поэкспериментировать, чтобы увидеть, какие лекарства лучше всего подойдут для каждого человека."
Эта цель может быть недалеко; Бурзак уже работает над исследованием с клиницистами Duke Medicine, включая Дуайта Коберла, доцента педиатрии, чтобы попытаться сопоставить эффективность лекарств у пациентов с их воздействием на мышцы, выращенные в лаборатории.
Группа Бурсака также пытается вырастить сокращающиеся мышцы человека, используя индуцированные плюрипотентные стволовые клетки вместо клеток, подвергшихся биопсии.
«Есть некоторые заболевания, такие как мышечная дистрофия Дюшенна, например, которые затрудняют взятие мышечной биопсии», — сказал Бурсак. «Если бы мы могли вырастить работающие, тестируемые мышцы из индуцированных плюрипотентных стволовых клеток, мы могли бы взять один образец кожи или крови и больше никогда не беспокоить пациента."
Другие исследователи, участвовавшие в этом исследовании, включают Джорджа Траски, R. Юджин и Сьюзи Э. Гудсон, профессор биомедицинской инженерии и старший заместитель декана по исследованиям в Pratt School of Engineering, и Уильям Краусс, профессор биомедицинской инженерии, медицины и сестринского дела в Университете Дьюка.
Исследование было поддержано грантами NIH R01AR055226 и R01AR065873 из Национального института артрита, опорно-двигательного аппарата и кожных заболеваний и UH2TR000505 из Общего фонда NIH для инициативы микрофизиологических систем.