Badacze sprawdzą, jak serce noworodka regeneruje uszkodzone komórki

Serce noworodka przez krótki okres zachowuje zdolność do regeneracji uszkodzonej tkanki, której praktycznie nie ma już mięsień sercowy osoby dorosłej. Naukowcy z Universitätsklinikum Bonn i Universität Bonn zamierzają dokładnie zbadać mechanizmy molekularne oraz komunikację między komórkami odpowiedzialnymi za tę wyjątkową właściwość. Wyniki projektu mogą w przyszłości pomóc w opracowaniu terapii regeneracyjnych dla pacjentów z niewydolnością serca i innymi chorobami układu sercowo-naczyniowego.

W artykule:

• Wyjątkowa zdolność serca noworodka do regeneracji
• Finansowanie projektu przez Deutsche Forschungsgemeinschaft
• Znaczenie kardiomiocytów i fibroblastów w naprawie serca
• Modele mysie, echokardiografia i transkryptomika pojedynczych komórek
• Wpływ przeciążenia ciśnieniowego na obie komory serca
• Możliwe znaczenie badań dla przyszłego leczenia niewydolności serca

Poszukiwanie mechanizmów regeneracji mięśnia sercowego

Deutsche Forschungsgemeinschaft, DFG, przeznaczy ponad pół miliona euro na realizację nowego projektu badawczego prowadzonego przez Universitätsklinikum Bonn, UKB, oraz Universität Bonn. Zespół kierowany przez dr Monę Malek Mohammadi z Institut für Physiologie I am UKB skoncentruje się na poznaniu mechanizmów regeneracji serca oraz adaptacyjnej przebudowy mięśnia sercowego w okresie noworodkowym.

Długoterminowym celem projektu jest stworzenie podstaw naukowych dla przyszłych terapii regeneracyjnych stosowanych w chorobach układu sercowo-naczyniowego. Badacze chcą ustalić, dlaczego serce noworodka potrafi czasowo naprawiać uszkodzoną tkankę, podczas gdy serce dorosłego człowieka ma bardzo ograniczoną zdolność do odtwarzania utraconych kardiomiocytów.

Choroby układu sercowo-naczyniowego pozostają jedną z najważniejszych przyczyn zgonów na świecie. Jednym z podstawowych problemów klinicznych jest niewielki potencjał regeneracyjny dojrzałego mięśnia sercowego. Po zawale lub innym ciężkim uszkodzeniu obumarłe kardiomiocyty są w znacznej części zastępowane tkanką włóknistą. Blizna stabilizuje uszkodzony obszar, ale nie kurczy się tak jak prawidłowa tkanka mięśniowa, co może prowadzić do stopniowego pogorszenia czynności serca.

Dlaczego serce noworodka jest wyjątkowe?

W przeciwieństwie do serca osoby dorosłej serce noworodka może przez ograniczony czas regenerować uszkodzone obszary i przystosowywać się do zwiększonego obciążenia. Zdolność ta jest związana między innymi z aktywnością proliferacyjną młodych kardiomiocytów, czyli komórek mięśnia sercowego odpowiedzialnych za jego skurcz.

Wraz z dojrzewaniem organizmu kardiomiocyty w dużej mierze tracą zdolność do podziałów. Dlatego poznanie sygnałów uruchamiających procesy regeneracyjne w okresie noworodkowym może mieć istotne znaczenie dla rozwoju metod, które w przyszłości mogłyby ponownie aktywować podobne programy naprawcze w sercu dorosłego pacjenta.

Nowy projekt ma pomóc w identyfikacji molekularnych i komórkowych mechanizmów odpowiadających za regenerację oraz adaptacyjne przekształcenia zachodzące w młodym sercu. Naukowcy będą sprawdzać zarówno reakcje samych kardiomiocytów, jak i wpływ innych komórek tworzących mikrośrodowisko mięśnia sercowego.

Komunikacja między fibroblastami a kardiomiocytami

Jednym z najważniejszych zagadnień analizowanych w ramach projektu będzie komunikacja między dwoma typami komórek: fibroblastami i kardiomiocytami. Obie populacje odgrywają istotną rolę w prawidłowym funkcjonowaniu serca oraz w odpowiedzi na jego uszkodzenie.

Kardiomiocyty odpowiadają za wytwarzanie siły skurczu, która umożliwia pompowanie krwi. Fibroblasty uczestniczą natomiast w wytwarzaniu i przebudowie macierzy zewnątrzkomórkowej, tworzącej strukturalne rusztowanie mięśnia sercowego. Po urazie fibroblasty mogą brać udział w stabilizacji uszkodzonego obszaru, ale ich nadmierna aktywacja sprzyja również włóknieniu.

Badacze chcą ustalić, w jaki sposób fibroblasty i kardiomiocyty przekazują sobie sygnały po uszkodzeniu serca oraz które elementy tej komunikacji sprzyjają naprawie tkanki i przeżyciu komórek. Szczególne zainteresowanie zespołu wzbudzają szlaki sygnałowe, które potencjalnie można byłoby w przyszłości reaktywować w dojrzałym mięśniu sercowym.

Nowoczesne metody badania komórek serca

W projekcie wykorzystane zostaną modele noworodków myszy, echokardiografia oraz transkryptomika pojedynczych komórek. Połączenie tych metod ma umożliwić ocenę zarówno czynności całego serca, jak i zmian zachodzących w poszczególnych populacjach komórek.

Echokardiografia pozwoli naukowcom nieinwazyjnie analizować budowę i funkcjonowanie serca, w tym pracę jego komór oraz reakcję mięśnia sercowego na przeciążenie i uszkodzenie. Badania prowadzone na modelach zwierzęcych umożliwią natomiast kontrolowane odtworzenie procesów zachodzących w sercu we wczesnym okresie życia.

Transkryptomika pojedynczych komórek pozwala analizować ekspresję genów oddzielnie w tysiącach komórek. Dzięki temu można identyfikować różne podtypy fibroblastów, kardiomiocytów i innych komórek serca oraz sprawdzać, które geny i szlaki sygnałowe zostają aktywowane po urazie albo przeciążeniu.

Takie podejście może pomóc w odróżnieniu komórek sprzyjających regeneracji od populacji uczestniczących głównie w procesach włóknienia i patologicznej przebudowy mięśnia sercowego.

Jak serce noworodka uruchamia programy naprawcze?

Jak podkreśla dr Mona Malek Mohammadi, celem zespołu jest lepsze zrozumienie sposobu, w jaki serce noworodka naturalnie aktywuje programy regeneracyjne po urazie.

„Naszym celem jest lepsze zrozumienie, w jaki sposób serce noworodka po urazie w naturalny sposób aktywuje programy regeneracyjne. Identyfikując te mechanizmy ochronne i regeneracyjne, mamy nadzieję opracować w przyszłości strategie, które mogłyby pomóc w przywracaniu funkcji serca u osób z niewydolnością serca” – wyjaśnia dr Mona Malek Mohammadi.

Badania mają zatem nie tylko opisać zjawiska obserwowane w młodym sercu, lecz również wskazać konkretne mechanizmy, które mogłyby stać się punktami uchwytu dla przyszłych terapii. Na obecnym etapie jest to projekt badań podstawowych i przedklinicznych. Nie oznacza on jeszcze powstania gotowej metody leczenia pacjentów.

Przeciążenie jednej komory aktywuje mechanizmy w całym sercu

Projekt opiera się na wcześniejszym odkryciu zespołu, zgodnie z którym przeciążenie ciśnieniowe jednej z dwóch głównych komór serca we wczesnym okresie życia może aktywować mechanizmy regeneracyjne w obu komorach.

Zaobserwowana odpowiedź obejmowała zwiększoną proliferację kardiomiocytów oraz nasilenie tworzenia nowych naczyń krwionośnych z naczyń już istniejących. Proces ten, określany jako angiogeneza, występował w obu komorach, a nie wyłącznie w tej bezpośrednio poddanej zwiększonemu obciążeniu.

Wyniki te wskazują, że młode serce może reagować na miejscowe przeciążenie w sposób obejmujący cały narząd. Oznacza to, że sygnały powstające w jednej komorze mogą wpływać również na komórki znajdujące się w drugiej części serca.

Nie wiadomo jednak, jaki jest dokładny udział fibroblastów w tej reakcji. Ustalenie ich roli będzie jednym z kluczowych zadań nowego projektu. Naukowcy chcą sprawdzić, czy fibroblasty w sercu noworodka wytwarzają czynniki wspomagające proliferację kardiomiocytów, rozwój naczyń krwionośnych i przeżycie komórek po uszkodzeniu.

Możliwe znaczenie dla leczenia niewydolności serca

DFG będzie wspierać rozwój programu badawczego w kolejnych latach. Dr Mona Malek Mohammadi kieruje niezależną grupą badawczą w Institut für Physiologie I działającym w ramach Universitätsklinikum Bonn i Universität Bonn. Główne obszary zainteresowania zespołu obejmują regenerację układu sercowo-naczyniowego, plastyczność serca w okresie noworodkowym oraz interakcje między komórkami uczestniczącymi w naprawie mięśnia sercowego.

Identyfikacja czynników umożliwiających regenerację serca noworodka mogłaby w przyszłości doprowadzić do opracowania nowych sposobów leczenia niewydolności serca. Potencjalne strategie mogłyby polegać na okresowej aktywacji podziałów kardiomiocytów, modyfikowaniu funkcji fibroblastów, nasilaniu unaczynienia uszkodzonego obszaru albo kontrolowaniu komunikacji między poszczególnymi populacjami komórek.

Wszelkie takie zastosowania pozostają jednak perspektywą długoterminową. Przed rozpoczęciem badań klinicznych konieczne będzie ustalenie, czy mechanizmy występujące w sercu noworodka można bezpiecznie aktywować w sercu dorosłego człowieka. Niekontrolowane pobudzanie proliferacji komórek lub przebudowy tkanek mogłoby prowadzić do zaburzeń struktury i funkcji mięśnia sercowego.

Obecny projekt ma przede wszystkim dostarczyć odpowiedzi na podstawowe pytania biologiczne: które komórki inicjują odpowiedź regeneracyjną, w jaki sposób przekazują sobie sygnały oraz dlaczego potencjał ten zanika wraz z dojrzewaniem organizmu.

Universitätsklinikum Bonn jako ośrodek badań i leczenia

Universitätsklinikum Bonn należy do największych niemieckich ośrodków akademickich łączących opiekę kliniczną, badania naukowe i kształcenie. Każdego roku UKB obejmuje opieką ambulatoryjną i szpitalną ponad pół miliona pacjentów.

Na uczelni studiuje około 3500 osób na kierunkach lekarskim i lekarsko-dentystycznym, a ponad 600 osób rocznie kształci się w zawodach medycznych. UKB zatrudnia około 9900 pracowników i jest trzecim co do wielkości pracodawcą w regionie Bonn/Rhein-Sieg.

Według informacji przekazanych przez ośrodek w 2025 roku UKB pozyskał prawie 100 mln euro finansowania zewnętrznego na badania, transfer wiedzy i dydaktykę.

Źródło: Universitätsklinikum Bonn, Research into cardiac regeneration investigates mechanisms for restoring damaged neonatal heart cells.