Ученые из университета Дьюка (Duce University) впервые вырастили человеческие скелетные мышцы, которые сокращаются и отвечают так же, как естественная ткань на внешние раздражители – электрические импульсы, биохимические сигналы и фармацевтические препараты. Выращенная в лаборатории ткань уже в ближайшее время должна позволить ученым тестировать новые лекарственные препараты и изучать нарушения функций мышечной ткани человека вне организма.

Выращенные в лаборатории человеческие мышечные пучки,
окрашенные, чтобы показать структуры, образуемые
основными мышечными единицами, и связанные с
ними белки (красные), являющиеся характерной чертой
человеческой мышцы. (Фото: Nenad Bursac, Duke University)

«Красота этой работы состоит в том, что она может стать основой для испытательного стенда для клинических тестов in vitro», – говорит руководитель исследования Ненад Бурсак (Nenad Bursac). «Мы работаем, чтобы проверять эффективность и безопасность лекарственных препаратов без ущерба для здоровья пациента, а также чтобы воспроизводить функциональные и биохимические сигналы заболеваний – особенно редких и тех, при которых затруднена биопсия мышц».

Ученые начали с небольшого образца человеческих клеток, которые уже не являлись стволовыми клетками, но еще не стали мышечной тканью. Эти миогенные клетки-предшественники были тысячекратно размножены, а затем помещены в 3D подложку, заполненную питательным гелем, что позволило им сформировать функциональные мышечные волокна.

«У нас большой опыт в лабораторном выращивании биосинтетических мышц из клеток животных, и все же при работе с человеческими мышечными клетками нам понадобился год, чтобы отрегулировать переменные, такие как плотность геля, и оптимизировать культуральный матрикс и среду», – говорит постдокторант лаборатории Бурсака Лоран Маддэн (Lauran Madden), первой автор статьи, опубликованной в журнале eLife.

Чтобы определить, насколько новые мышцы близки к естественной ткани человеческого организма, исследователи подвергли их целому шквалу тестов. Мышцы выраженно сокращались в ответ на электрические стимулы – первый случай такой реакции для человеческих мышц, выращенных в лаборатории. Кроме того, в них были сохранены и нормально функционировали сигнальные пути, позволяющие мышцам подчиняться командам нервов.

Чтобы убедиться, что выращенные мышцы могут быть использованы в качестве модели для медицинских тестов, ученые изучили их реакцию на различные препараты, в том числе статины, используемые для снижения уровня холестерина, и кленбутерол, препарат, используемый (не по показаниям) спортсменами в период подготовки к соревнованиям.

Эффекты этих препаратов соответствовали тем, что наблюдаются у пациентов. На статины развивался дозозависимый эффект аномального накопления жира в высоких концентрациях. Кленбутерол показал узкий коридор усиления сокращений. Оба эти эффекта зарегистрированы в организме человека, что подтверждает, что выращенные в лаборатории волокна отвечают как настоящие человеческие мышцы.

«Одной из наших целей является использование этого метода для развития персонализированной медицины», – продолжает Бурсак. «Мы можем взять биопсию у конкретного пациента, вырастить много новых мышц для использования в качестве тестовых образцов и экспериментировать, чтобы понять, какие препараты будут работать лучше в организме именно этого больного».

Эта цель не так уж и далека: Бурсак уже планирует провести совместное исследование с клиницистами из университета Дьюка, чтобы попытаться соотнести эффективность препаратов для пациентов с их воздействием на выращенные в лаборатории мышцы. Кроме того, его группа пытается вырастить сокращающиеся человеческие мышцы с использованием индуцированных плюрипотентных стволовых клеток, а не из клеток из биопсийных образцов.

«Есть некоторые болезни, например, мышечная дистрофия Дюшенна, которые затрудняют мышечную биопсию», – объясняет ученый. «Если бы мы смогли вырастить работающие, пригодные для тестирования мышцы из индуцированных плюрипотентных стволовых клеток, мы могли бы взять у больного всего один образец кожи или крови, и нам никогда больше не пришлось бы его беспокоить».

Оригинальная статья:

Bioengineered human myobundles mimic clinical responses of skeletal muscle to drugs