«Сердце — уникальный орган: бьется, даже если его вынуть из тела»

Сердечно-сосудистые заболевания до сих пор считаются главной причиной смертности на планете, согласно статистике ВОЗ. Тысячи исследователей по всему миру беспрестанно пытаются решить эту проблему и ученые из Екатеринбурга тоже. В нашей постоянной рубрике «Наука в городе» вместе с компанией «Брусника» расскажем об исследованиях сердца, которыми занимаются уральские ученые. 

Фото: Арина Томашова / It’s My City

Героиня материала ― младший научный сотрудник Института иммунологии и физиологии УрО РАН Ксения Бутова. Благодаря исследованиям ученых института врачи и фармацевты лучше понимают, как работает сердце, а значит, им проще найти более действенные способы помощи. Ксения рассказала, как ведутся исследования и что еще ученые хотят узнать. 

Путь в науку через мозг Ганнибала Лектора

— Биология мне всегда нравилась. Она изучает вещи, которые нас окружают, и то, как они устроены. Мысль стать биологом мне пришла в 11 классе, когда я посмотрела фильм «Молчание ягнят». Меня поначалу заинтересовала работа психиатра с Ганнибалом Лектором, потом стало интересно, как работает мозг таких людей, как Лектор. Позже я задумалась, а как вообще устроен наш мозг? Чтобы разобраться, пошла на биофак. Закончила бакалавриат, магистратуру, сейчас учусь в аспирантуре и работаю в Институте иммунологии и физиологии Уральского отделения РАН. 

Фото: Арина Томашова / It’s My City

Но нейрофизиологом я так и не стала, передумала. Помню, на третьем курсе бакалавриата нас повели на экскурсию в исследовательский институт. В какой-то момент я увидела табличку «Лаборатория биомеханики» и подумала: неужели тут делают киборгов? В следующий раз о биомеханике я вспомнила, когда в университете пришла пора выбирать специализацию. 

Оказалось, что это раздел биологии, который изучает механические свойства и физические основы подвижности живых тканей и органов — как они двигаются сами по себе и как взаимодействуют друг с другом на более мелком (клеточном и молекулярном) уровнях. Я решила остановиться на этой теме и пришла писать диплом в лабораторию. Ее заведующая стала одним из моих научных руководителей и параллельно проводила у нас учебные семинары по биофизике миокарда. Около года, пока я писала работы, она присматривалась ко мне, а потом позвала в штат.  

Фото: Арина Томашова / It’s My City

Мы не делаем киборгов, а изучаем сердце

Конечно, ни в лаборатории биомеханики, ни в лаборатории, где сейчас работаю, не делают киборгов, как я подумала сначала. Мы занимаемся исследованиями биофизических основ функционирования сердца. Это не менее интересно, потому что сердце ― уникальный орган, и мы до сих пор не до конца понимаем, как оно устроено.  

Сердце — не просто насос, который качает кровь, а сложный орган с внутренней автоматией и множеством систем регуляции. Они позволяют ему адаптировать свою работу к разным условиям. Поэтому, если сердце вынуть из тела и положить на стол, оно еще какое-то время будет биться само по себе. Вообще, за счет этих механизмов и особой клеточной структуры сердце само определяет, с какой силой производить сокращение (в зависимости от частоты сердечных сокращений или объема притекающей в диастолу крови) или сколько ионов кальция запустить внутрь клетки. Иными словами, оно полагается не только на внешние системы регуляции в виде импульсов от нервной системы, но и само на себя. 

Фото: Арина Томашова / It’s My City

Увидеть сердце насквозь

Чтобы понять фундаментальные особенности того, как сердце выполняет свою сократительную функцию, мы изучаем его на уровне отдельных мышечных клеток, составляющих его структуру — кардиомиоцитов. Мы смотрим на различные параметры сокращения клеток сердца, а потом переносим полученные результаты на функции целого органа. Таким образом можно оценить работу кардиомиоцитов как в нормальном, так и в патологически измененном сердце ― при заболеваниях сердечно-сосудистой системы. 

Так как сердечно-сосудистые заболевания представляют клиническую проблему (в плане их распространенности и лечения), наши результаты, хотя и с большой осторожностью, мы стараемся интерпретировать относительно человека и его организма. То есть стараемся расшифровать, как заболевание «ломает» функцию сердца на уровне отдельных его клеток. На основе этой информации уже может появиться подход для лечения сердца человека на клеточном уровне его организации.  

Фото: Арина Томашова / It’s My City

Сложность в том, что сердце ― неоднородный орган. Так, кардиомиоциты различных его отделов ― желудочков и предсердий ―  различаются по структуре и функциям. Эти различия будут прослеживаться не только среди клеток разных камер сердца. 

Например, если разрезать левый желудочек млекопитающего на три слоя (эндокард, миокард и эпикард), то в каждом из них кардиомиоциты будут сокращаться по разному. То же самое происходит, если резать сердце от основания к верхушке. Такая неоднородность проявляется не только на клеточном уровне, но даже на уровне сократительных белков. Чтобы составить полную картину того, как работает сердце при меняющихся условиях, нам и приходится смотреть клетки из разных отделов, что занимает очень много времени.

Фото: Арина Томашова / It’s My City

Другой нюанс заключается в том, что для наших целей нужны только живые клетки сердца, сохраняющие способность сокращаться. То есть мы не можем просто порезать орган на маленькие кусочки ― это будет слишком разрушительно для кардиомиоцитов. Поэтому процесс выделения отдельных клеток из сердца более сложный: мы при помощи специальных ферментов расщепляем внеклеточный каркас, своеобразную белковую сетку, которая удерживает кардиомиоциты, и тогда клетки выходят живыми и пригодными для изучения.

Доставить раствор с ферментами по коронарным сосудам к тканям сердца помогает аппарат Лангендорфа.  Изначально его придумали в конце XIX века для того, чтобы поддерживать жизнь сердца вне тела как можно дольше. Суть его работы такова: сердце подключается к аппарату через аорту, и к нему по системе трубок поступают растворы, схожие по составу с плазмой крови. 

Таким образом система позволяет имитировать кровоток, происходящий в организме, но в аппарате он происходит в обратную сторону (так как растворы поступают через аорту). Поэтому аппарат Лангендорфа также известен как «система ретроградной перфузии». Только в нашем случае система Лангендорфа не поддерживает жизнь сердца целиком, а позволяет доставить расщепляющий ферментный раствор во все камеры и слои.

Фото: Арина Томашова / It’s My City

Ничего не проходит зря

Естественно, клетки мы изучаем не ради забавы. Наши исследования, направленные на понимание и объяснение фундаментальных процессов работы сердца, прежде всего нужны для того, чтобы бороться с болезнями этого органа. На основании результатов этих исследований врачи и химики разрабатывают лекарства и способы лечения.

За то время, что я работаю в институте, мы поучаствовали в тестировании нового лекарственного препарата «Омекамтив мекарбила». Согласно предшествующим нашему исследованию литературным данным, этот препарат был разработан, чтобы помочь пациентам с сердечной недостаточностью. При этом заболевании сердце не может эффективно сокращаться и качать кровь. Благодаря подходу, где мы оцениваем сразу несколько камер сердца на клеточном уровне, выявили неодинаковый дозозависимый эффект омекамтив мекарбила на кардиомиоциты разных отделов. 

Иными словами, в заявленных концентрациях препарат слабо влиял на сократительную способность кардиомиоцитов только одной из камер, тогда как функция остальных отделов осталась без изменений, а при увеличении концентрации наблюдался даже слабый токсический эффект. 

Выходит, что улучшение состояния происходит только у одного отдела, а остальные при этом так и продолжают работать плохо, что может негативно сказаться на работе всего органа.

Для врачей и химиков эта информация важна. На базе новых знаний могут быть разработаны подходы по доставке лекарственных препаратов в конкретные зоны сердца, чтобы более эффективно помогать людям. Так совместными усилиями мы приближаемся к тому, что называется персонифицированной медициной и таргетной доставкой лекарств. 

«Многие думают, что получают чип с прививками. Это мешает прогрессу»

Я уверена, что открытия в биологии и медицине будут продолжаться. Сейчас отдельные ученые бьются над тем, чтобы создать искусственную ткань, которая бы имитировала сокращения живого миокарда. Это бы приблизило нас к изобретению искусственного сердца не как временного органа, что доступно и сегодня, а как постоянной долгоживущей структуры.

Фото: Арина Томашова / It’s My City

Также ученые стоят на пороге редактирования генома, которое бы позволило избавляться от заболеваний и патологий еще внутриутробно. Сегодня этот вопрос упирается в этику: ученые боятся, не перерастет ли это в евгенику (селекцию по отношению к человеку — прим. ред.). 

Но пока прогрессу сильно мешает необразованность. Многие люди до сих пор боятся генномодифицированных продуктов или думают, что получают чип с прививками. А некоторые, например, думают, что биологи или работают в зоопарках, или нюхают цветы. Конечно, ряд ученых-биологов занимается и этим, но биология наука настолько огромная и включает в себя так много дисциплин, что не стоит обобщать. Чтобы приближать прогресс не только исследованиями, но и самим интересом, мы запустили свой канал на YouTube, в котором рассказываем о нашей работе и открытиях. 

Партнерский материал