Создание нового биосинтетического миокарда: мечта или реальность?

Juan Carlos Chachques, MD, PhD

Ишемическая болезнь сердца является основной причиной сердечной недостаточности и важной экономической проблемой для системы здравоохранения. По причине общего старения населения планеты, сердечная недостаточность становится всё более важной клинической проблемой, которая требует значительных капиталовложений (1,2). Таким образом, исследования в области сердечной недостаточности являются очень важными и включают в себя такие специальности как: клеточная и молекулярная биология, тканевая инженерия, генетика, биофизика и электрофизиология.

КЛЕТОЧНАЯ КАРДИОМИОПЛАСТИКА

За последние годы, наблюдение за больными с застойной сердечной недостаточностью, привлекло внимание большого количества исследовательских групп. Среди многообразия новых методов лечения сердечной недостаточности, одним из наиболее современных направлений является трансплантация стволовых клеток в миокард с целью активации его регенерации. Этот подход к лечению называется клеточной кардиомиопластикой (3, 4). Миокард взрослого человека не способен эффективно восстанавливаться после инфаркта, так как не имеет достаточного количества стволовых клеток. Это приводит к тому, что большинство повреждений являются необратимыми (5). По этой причине, стратегия клеточной трансплантации при сердечной недостаточности была разработана для замены повреждённых клеток на другие, способные к функционированию как при ишемической, так и неишемической кардиомиопатии.

Пересадка здоровых клеток в повреждённый миокард – это важный потенциальный метод лечения сердечно-сосудистой патологии. Целью клеточной трансплантации является развитие новых мышечных волокон (миогенез) и/или развитие ангиогенеза в повреждённом миокарде, что может потенциально способствовать улучшению систолической и диастолической функций желудочков, а также обратить процесс постишемического ремоделирования сердечных камер (5).

Вдохновляющие результаты экспериментальных исследований (6-11), открыли путь для клинического использования клеточной кардиомиопластики у больных с акинезией и нежизнеспособным постинфарктным рубцом со сниженной фракцией выброса а также у пациентов с первичной кардиомиопатией или миокардитом Чагаса (12-15). Культивированные аутогенные клетки не вызывают иммунологических, этических, онкогенных проблем и не зависит от наличия донора. Поэтому, развитие клеточного лечения при сердечной недостаточности прогрессирует как точный научный метод: от наблюдений к экспериментам и потом к тщательной осторожной оценке первых клинических результатов.

В настоящее время, стало возможным клеточное лечения для регенерации миокарда, основным методом в котором является пересадка в повреждённый миокард разных типов стволовых клеток: аутогенных миобластов (полученных при биопсии скелетных мышц) (16), стволовых клеток костного мозга (17), стволовых клеток изъятых из периферической крови (18), сосудистых эндотелиальных клеток (19), мезотелиальных клеток (изъятых при биопсии сальника (20), стволовых клеток жировой ткани (21) и эмбриональных полипотентных клеток (22).

Тканевая инженерия с использованием биологического и синтетического межклеточного вещества может ассоциироваться с клеточной терапией, целью которой является развитие биосинтетического миокарда (23-29). После нескольких лет базовых и хирургических испытаний, наша группа начала клиническое исследование MAGNUM (Myocardial Assistance by Grafting a New Upgraded bioartificial Myocardium) (30).

РАЗВИТИЕ БИОСИНТЕТИЧЕСКОГО МИОКАРДА

Целью клеточной кардиомиопластики является восстановление миокарда с помощью имплантации живых клеток. Но следует отметить, что при ишемической болезни межклеточное вещество часто разрушается и разрывается. Поэтому, было-бы очень важным комбинировать процедуры направленные на восстановление, как клеток миокарда, так и межклеточного вещества. В настоящий момент мы работаем над оценкой потенциальной роли трёхмерного биодегенерирующего межклеточного вещества, засеянного стволовыми клетками и его пересадкой в желудочки сердца после инфаркта(23). Вскоре после инфаркта миокарда, воспалительные клетки, такие как нейтрофилы, моноциты и макрофаги, инфильтрируют инфарктную зону, и затем, некротизированные миоциты повреждённого миокарда замещаются коллагеновыми волокнами. Этот процесс происходит равномерно во всей зоне инфаркта и определяет степень ранней постинфарктной экспансии. Предотвращение дилятации, которая является следствием ремоделирования левого желудочка, может улучшить сердечную деятельность (5).

В нормальном взрослом сердце существует два типа коллагенновых волокон, I и II типа, вырабатываемые фибробластами и миофибробластами. Волокна I типа представляют 80% сердечных коллагенновых белков и волокна II типа - около 10%. Эти волокна являются структурной опорой сердечной мышцы и придают ей такие качества как ригидность и резистентность при деформации, также доказано, что они являются связующим звеном между сократительными элементами прилегающих миоцитов и содержат полезную информацию для клеточной функции. В зоне инфаркта межклеточное вещество модифицируется и количество коллагенновых волокон I типа снижается с 80 до 40%. После экспериментального исследования (23), наша группа начала клиническое испытание на больных с ишемической болезнью сердца, пересаживая аутогенные стволовые клетки костного мозга в инфарктный рубец в сочетании этой процедуры с хирургической имплантацией в эпикард клеток, засеянных предварительно в коллагеновое вещество I типа. Предварительные результаты показали, что данный метод предотвращает утончение стенки миокарда и ограничивает постишемическое ремоделирование (30).

ПЕРСПЕКТИВЫ

Клеточная трансплантация получила признание как полноправная стратегия, направленная на улучшение жизнеспособности миокарда и ограничения распространения инфарктной зоны. Основными стимулами для будущих исследовательских программ являются: создание необходимых предварительных условий для предварительной дифференциации стволовых клеток перед трансплантацией, оптимизация количества выживающих клеток после их имплантации в миокард и сопутствующей ангиогенной терапией с помощью миогенных клеток и также улучшение методики перкутанной доставки клеток (31).

Развитие биосинтетического миокарда является новой сложной задачей. Использование тканевой инженерии, позволит восстановление миокарда. Нашей группой было начато клиническое исследование MAGNUM (30,32). Мы также предложили методику электростимуляцию вместе с клеточной кардиомиопластикой для трансформации пассивной клеточной терапии в «динамическую клеточную поддержку». В протоколах, использующих биоинженерное клеточное коллагенное вещество, электростимуляция может вызвать дифференциацию и сокращение имплантированной ткани (33,34).

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ

1. Jessup M, Brozena S. Heart failure. N Engl J Med. 2003; 348: 2007–2018.
2. Bleumink GS, Knetsch AM, Sturkenboom MC, Straus SM, Hofman A, Deckers JW, Witteman JC, Stricker BH. Quantifying the heart failure epidemic: prevalence, incidence rate, lifetime risk and prognosis of heart failure The Rotterdam Study. Eur Heart J. 2004; 25:1614-9.
3. Chachques JC, Abdel Shafy AB, Duarte F, Cattadori B, Goussef N, Shen L, Carpentier A. From dynamic to cellular cardiomyoplasty. J Card Surg 2002; 17: 194-200.
4. Chachques JC, Acar C, Herreros J, Trainini J, Prosper F, D’Attellis N, Fabiani JN, Carpentier A. Cellular cardiomyoplasty: clinical application. Ann Thorac Surg 2004; 77 : 1121-30.
5. Pfeffer MA, Braunwald E. Ventricular remodeling after myocardial infarction. Experimental observations and clinical implications. Circulation. 1990; 81: 1161-72.
6. Wang JS, Shum-Tim D, Galipeau J, Chedrawy E, Eliopoulos N, Chiu RC. Marrow stromal cells for cellular cardiomyoplasty: feasibility and potential clinical advantages. J Thorac Cardiovasc Surg 2000; 120: 999-1005.
7. Orlic D, Kajstura J, Chimenti S, Limana F, Jakoniuk I, Quaini F, Nadal-Ginard B, Bodine DM, Leri A, Anversa P. Mobilized bone marrow cells repair the infarcted heart, improving function and survival. Proc Nat Acad Sci USA. 2001; 98: 10344-9.
8. Taylor DA, Atkins BZ, Hungspreugs P, Jones TR, Reedy MC, Hutcheson KA, Glower DD, Kraus WE. Regenerating functional myocardium: Improved performance after skeletal myoblast transplantation. Nat Med. 1998; 4: 929-933.
9. Rajnoch C, Chachques JC, Berrebi A, Bruneval P, Benoit MO, Carpentier A.
   Cellular therapy reverses myocardial dysfunction. J Thorac Cardiovasc Surg. 2001; 121: 871-8.
10. Chachques JC, Duarte F, Cattadori B, Shafy A, Lila N, Chatellier G, Fabiani JN, Carpentier A. Angiogenic growth factors and/or cellular therapy for myocardial regeneration: a comparative study. J Thorac Cardiovasc Surg. 2004; 128: 245–53.
11. Verfaillie CM, Schwartz R, Reyes M, Jiang Y. Unexpected potential of adult stem cells. Ann N Y Acad Sci. 2003; 996: 231-4.
12. Chachques JC, Cattadori B, Herreros J, Prosper F, Trainini JC, Blanchard D, Fabiani JN, Carpentier A. Treatment of heart failure with autologous skeletal myoblasts. Herz. 2002; 27: 570-8.
13. Haider HK, Tan AC, Aziz S, Chachques JC, Sim EK. Myoblast transplantation for cardiac repair: a clinical perspective. Mol Ther. 2004; 9: 14-23.
14. Vilas-Boas F, Feitosa GS, Soares MB, Pinho-Filho JA, Mota A, Almeida AJ, Carvalho C, de Carvalho HG, de Oliveira AD, dos Santos RR. Bone marrow cell transplantation to the myocardium of a patient with heart failure due to Chagas' disease. Arq Bras Cardiol. 2004; 82: 185-7.
15. Perin EC, Dohmann HF, Borojevic R, Silva SA, Sousa AL, Mesquita CT, Rossi MI, Carvalho AC, Dutra HS, Dohmann HJ, Silva GV, Belem L, Vivacqua R, Rangel FO, Esporcatte R, Geng YJ, Vaughn WK, Assad JA, Mesquita ET, Willerson JT. Transendocardial, autologous bone marrow cell transplantation for severe, chronic ischemic heart failure. Circulation 2003; 107: 2294-302.
16. Chachques JC, Herreros J, Trainini J, Juffe A, Rendal E, Prosper F, Genovese J. Autologous human serum for cell culture avoids the implantation of cardioverter-defibrillators in cellular cardiomyoplasty. Int J Cardiol 2004 ; 95 (Suppl 1) : S29-S33.
17. Stamm C, Westphal B, Kleine HD, Petzsch M, Kittner C, Klinge H, Schumichen C, Nienaber CA, Freund M, Steinhoff G. Autologous bone-marrow stem-cell transplantation for myocardial regeneration. Lancet 2003; 361: 45-6.
18. Schachinger V, Assmus B, Britten MB, Honold J, Lehmann R, Teupe C, Abolmaali ND, Vogl TJ, Hofmann WK, Martin H, Dimmeler S, Zeiher AM. Transplantation of progenitor cells and regeneration enhancement in acute myocardial infarction: final one-year results of the TOPCARE-AMI Trial. J Am Coll Cardiol. 2004; 44: 1690-9.
19. Narmoneva DA, Vukmirovic R, Davis ME, Kamm RD, Lee RT. Endothelial cells promote cardiac myocyte survival and spatial reorganization. Implications for cardiac regeneration. Circulation. 2004; 110: 962-968.
20. Elmadbouh I, Chen Y, Louedec L, Silberman S, Pouzet B, Meilhac O, Michel JB. Mesothelial cell transplantation in the infarct scar induces neovascularization and improves heart function. Cardiovasc Res. 2005; 68: 307-17.
21. Planat-Benard V, Menard C, Andre M, Puceat M, Perez A, Garcia-Verdugo JM, Penicaud L, Casteilla L. Spontaneous cardiomyocyte differentiation from adipose tissue stroma cells. Circ Res. 2004; 94:223–9.
22. Kehat I, Khimovich L, Caspi O, Gepstein A,
    Shofti R, Arbel G, Huber I, Satin J, Itskovitz-Eldor J, Gepstein L. Electromechanical integration of cardiomyocytes derived from human embryonic stem cells. Nat Biotechnol. 2004; 22: 1282-9.
23. Cortes-Morichetti M, Frati G, Schussler O, Duong JP, Lauret E, Carpentier A, Chachques JC. Association of bioartificial myocardium and cellular cardiomyoplasty for myocardial support and regeneration. Circulation. 2005; 112 (Suppl II): II-741.
24. Kutchska I, Kofidis T, Chen IY, Arai T, Sheikh AY, Hendry SL, Pearl J, Hoyt G, Connolly A, Yang PC, Gambhir SS, Robbins RC. Collagen matrices enhance survival of embryonic cardiomyoblasts following transplantation into ischemic rat hearts. Circulation. 2005; 112 (Suppl II): II-741.
25. Rogge C, Didie M, Naito H, Hermans-Borgmeyer I, Wobus AM, Field LJ, Eschenhagen T, Zimmermann WH. Generation of engineered heart tissue from embryonic stem cell derived cardiomyocytes. Circulation. 2005; 112 (Suppl II): II-14.
26. Eschenhagen T, Zimmermann WH. Engineering myocardial tissue. Circ Res. 2005; 97: 1220-31.
27. Kofidis T, Akhyari P, Boublik J, Theodorou P, Martin U, Ruhparwar A, Fischer S, Eschenhagen T, Kubis HP, Kraft T. In vitro engineering of heart muscle: artificial myocardial tissue. J Thorac Cardiovasc Surg. 2002; 124: 63-69.
28. Leor J, Cohen S. Myocardial tissue engineering: creating a muscle patch for a wounded heart. Ann NY Acad Sci. 2004; 1015: 312-319.
29. Kadner A, Zund G, Maurus C, Breymann C, Yakarisik S, Kadner G, Turina M, Hoerstrup SP. Human umbilical cord cells for cardiovascular tissue engineering: a comparative study. Eur J Cardiothorac Surg. 2004; 25:635-641.
30. Chachques JC, Trainini JC, Lago N, Mouras J, Christen AI, Cortes Morichetti M, Frati G, Schussler O. Myocardial Assistance by Grafting a New Bioartificial Upgraded Myocardium (MAGNUM Trial): Preliminary Results. Presented at the 86th Annual Meeting, American Association for Thoracic Surgery. Philadelphia (USA), May 1-3, 2006.
31. Chachques JC, El Serafi M, Azarine A, Mousseaux E, Cortes-Morichetti M, Ba M, Fabiani JN, Carpentier A. Ex-vivo MRI evaluation of local myocardial treatments : comparison between epicardial and endocardial (Cell-Fix catheter) injection. Circulation. 2005; 112 (Suppl II): II-750.
32. Chachques JC, Herreros J, Trainini JC (eds) : book “Regeneracion Cardiaca”. Editorial Magister Eos, Buenos Aires (Argentina), 2005: 205 pages.
33. Chachques JC, Salanson-Lajos C, Lajos P, Shafy A, Alshamry A, Carpentier A. Cellular cardiomyoplasty for myocardial regeneration. Asian Cardiovasc Thorac Ann. 2005; 13: 287-96.
34. Chachques JC. Method of providing a dynamic cellular cardiac support. USA Patents A2002 0124855 and A2005 0002912. http://www.uspto.gov

http://www.hf-symposium.org/2006/lectures

www.medicusamicus.com