Исследование механизмов образования реентри методом оптического картирования сердечной ткани, полученной из индуцированно-плюрипотентных стволовых клеток от пациентов с врожденным синдромом удлиненного интервала QT.

КАРТОЧКА ПРОЕКТА ФУНДАМЕНТАЛЬНЫХ И ПОИСКОВЫХ НАУЧНЫХ ИССЛЕДОВАНИЙ,
ПОДДЕРЖАННОГО РОССИЙСКИМ НАУЧНЫМ ФОНДОМ

Информация подготовлена на основании данных из Информационно-аналитической системы РНФ, содержательная часть представлена в авторской редакции. Все права принадлежат авторам, использование или перепечатка материалов допустима только с предварительного согласия авторов.

ОБЩИЕ СВЕДЕНИЯ

Номер проекта 16-14-10091

НазваниеИсследование механизмов образования реентри методом оптического картирования сердечной ткани, полученной из индуцированно-плюрипотентных стволовых клеток от пациентов с врожденным синдромом удлиненного интервала QT.

Руководитель Агладзе Константин Игоревич, Доктор биологических наук

Организация финансирования, регион федеральное государственное автономное образовательное учреждение высшего образования "Московский физико-технический институт (национальный исследовательский университет)" , г Москва

Конкурс №13 - Конкурс 2016 года на получение грантов по приоритетному направлению деятельности РНФ «Проведение фундаментальных научных исследований и поисковых научных исследований отдельными научными группами»

Область знания, основной код классификатора 04 - Биология и науки о жизни; 04-204 - Биофизика

Ключевые слова Кардиомиоцит, тканевая инженерия, оптическое картирование, реентри, тахикардия, фибрилляция, репрограммирование клеток, индуцированно-плюрипотентные стволовые клетки, синдром удлиненного интервала Q-T , ранняя постдеполяризация

Код ГРНТИ34.17.00

ИНФОРМАЦИЯ ИЗ ЗАЯВКИ

Аннотация
По оценкам Всемирной организации здравоохранения сердечно-сосудистые заболевания занимают первое место среди причин смертности населения в подавляющем большинстве стран мира. Значительная часть сердечно-сосудистых заболеваний приходится на нарушения ритма сердца и, в частности, тахиаритмии. Наиболее опасны желудочковые тахиаритмии, часто приводящие к фибрилляции, манифестируемой как внезапная сердечная смерть. В настоящее время известно, что в основе большинства сердечных тахиаритмий лежат циркулирующие волны возбуждения - реентри. За последние 20 лет были созданы системы так называемого оптического картирования возбуждения в сердце, убедительно продемонстрировавшие роль реентри в возникновении тахиаритмий и переходе к режиму фибрилляции (C Cabo, AM Pertsov, et al. Nature 1992; RA Gray, AM Pertsov, J Jalife Nature 1998). Несмотря на успешное применение оптического картирования целого сердца (обычно искусственно перфузируемого в так называемых препаратах Лангендорфа) для доказательства возникновения реентри как основы развивающейся тахиаритмии, конкретные биофизические механизмы возникновения реентри в препаратах целого сердца изучать затруднительно. Эта трудность обусловлена сложным строением сердца, а также его трехмерностью, затрудняющей использование методов оптического картирования для регистрации возбуждения, распространяющегося в толще миокарда. Развиваемые в последнее время тканево-инженерные модели сердечной ткани при использовании оптического картирования позволяют интерактивно наблюдать распространение возбуждения, регистрировать образование реентри в результате взаимодействия волн возбуждения с различными анатомическими препятствиями и видеть непосредственный ответ распространяющихся волн и реентри на фармакологические препараты. Открытие клеточного перепрограммирования и индуцированных плюрипотентных стволовых клеток, сделанное S Yamanaka в 2006 г., дает новые возможности получения кардиомиоцитов человека и делает тканево-инженерные модели потенциально особенно перспективными (K Aalto, S Yamanaka et al, Disease Models & Mechanisms 2012). Например, в работе (S Kadota, K Agladze et al. Europian Heart J, 2013) было продемонстрировано сравнение эффективности влияния различных антиаритмических препаратов на динамику реентри в монослое человеческих вентрикулярных кардиомиоцитов. Более того, для ряда сердечных патологий, таких, например, как синдром удлиненного интервала QT (long QT syndrome - LQTS), не существует адекватных животных моделей, поэтому использование человеческих тканей становится незаменимым. Представляемый проект направлен на изучение механизма образования реентри при синдроме удлиненного интервала QT. При этом основной упор будет сделан на определение условий, при которых: 1) LQTS развивается в раннюю постдеполяризацию в культивируемой сердечной ткани; 2) Ранняя постдеполяризация приводит к образованию двумерных реентри. Врожденный синдром удлиненного интервала Q-T (LQTS) вызывается генетическими мутациями, которые нарушают функционирование ионных каналов мембраны сердечных клеток. Частота врожденного синдрома LQTS в популяции является достаточно низкой (<0.1%-0.02%). Однако совершенно иное значение имеет приобретенный LQTS. Так, 15-20% индивидов проявляют его в период алкогольной абстиненции, 50-60% приобретают в результате лечения антиаритмиками класса III. К развитию LQTS также приводит лечение некоторыми видами антибиотиков. Опасность LQTS проявляется в риске развития сердечных аритмий, типа Torsade de Pointe (TDP), которые с высокой степенью вероятности могут перейти в фибрилляцию желудочков и сопряжены с высоким риском внезапной сердечной смерти. Причиной возникновения TDP считается ранняя постдеполяризация. Ранняя постдеполяризация проявляется в аномальных колебаниях мембранного потенциала клетки в стадии реполяризации. Следует заметить, что в настоящее время не известен точный механизм перехода к фибрилляции сердца у пациентов с LQTS. Несмотря на надежно установленную связь LQTS с ранней постдеполяризацией (EAD), непонятно, как теряется устойчивость распространения возбуждения в сердечной ткани, почему возникают разрывы фронтов, необходимые для образования вращающихся волн типа реентри. Гипотетически, предлагаются механизмы, заключающиеся в возникновении крайне неоднородного "рефрактерного хвоста" либо локальной стимуляции от аномальных колебаний мембранного потенциала, попадающей в так называемое уязвимое окно. Было проведено много экспериментальных и вычислительных исследований на одиночных клетках, чтобы установить ионные механизмы образования EAD. Ранняя постдеполяризация возникает тогда, когда увеличиваются входящие токи через мембрану или уменьшаются выходящие токи, или имеет место и то, и другое. Так, например, сердечная клетка может стать уязвимой для развития EADS путем увеличения направленного внутрь тока кальция L-типа (ICaL) и уменьшением проводимости направленных наружу токов, таких как задержанный выпрямляющий калиевый ток (IKr) и IKs (медленная компонента). Ранняя постдеполяризация может также произойти из-за патологической динамики кальция в клетке, например кальциевой перегрузки саркоплазматического ретикулума (SR), что приводит к спонтанному высвобождению кальция и, в конечном итоге, реактивации ICaL при посредничестве тока Na / Ca эксченжера (INaCa). Несмотря на обилие данных о том, как развивается EAD в одиночных клетках, очень мало известно о том, как EADS приводит к аритмии в двумерной ткани и в целом сердце. Подробное знание механизмов формирования реентри может значительно повысить эффективность скрининга потенциальных антиаритмиков, а также разработать схемы лечения, позволяющие избегать тяжелых побочных явлений, таких, например, как LQTS и ранняя постдеполяризация. Так, например, широко используемые для пролонгации плато потенциала действия (как механизма терминации реентри) антиаритмики класса III фактически увеличивают интервал QT, что может приводить к ранней постдеполяризации и, в ряде случаев, чревато внезапной сердечной смертью. Решение поставленных задач даст понимание фундаментальных процессов, лежащих в основе перехода возбудимой среды в хаотическое состояние, а также позволит задать направление поиска специфических антиаритмических препаратов и процедур, позволяющих осуществлять защиту пациентов с наследственным и приобретенным LQTS.

ОТЧЁТНЫЕ МАТЕРИАЛЫ

Публикации

1. Подгурская А.Д., Цвелая В.А., Фролова Ш.Р., Калита И. Кудряшова Н.Н., Агладзе К.И. Effect of heptanol and ethanol on excitation wave propagation in a neonatal rat ventricular myocyte monolayer Toxicology in vitro, Volume: 51, pages 136-144 (год публикации - 2018)
10.1016/j.tiv.2018.05.009

2. Цвелая, В.А., Калита, И.Ю., Крашенинникова, А.В., Доронин, Р.А., Кудряшова, Н.Н., Агладзе, К.И. Cardiac Excitation Waves under Strong Hyperkalemia Condition Письма в ЖЭТФ (JETP Letters), Письма в ЖЭТФ, том 108, номер 8, стр. 580 – 581 (год публикации - 2018)
10.1134/S0370274X18200110

3. Слотвицкий М, Цвелая В, Фролова Ш, Дементьева Е, Агладзе К Arrhythmogenicity Test Based on a Human Induced Pluripotent Stem Cell (iPSC)-Derived Cardiomyocyte Layer Toxicological Sciences, https://academic.oup.com/toxsci/advance-article/doi/10.1093/toxsci/kfy274/5156075?guestAccessKey=02ef3709-c447-48f7-9dfb-c8c61474a760 (год публикации - 2018)
10.1093/toxsci/kfy274

4. Цвелая В.А., Слотвицкий М.М., Фролова Ш.Р., Агладзе К.И. Сравнительный анализ электрофизиологических характеристик и проведения возбуждения в вентрикулярных кардиомиоцитах, полученных от здорового индивида и пациента с синдромом удлиненного интервала Q-T Клиническая и экспериментальная хирургия, 2018. Т. 6, № 3. С. 6-15 (год публикации - 2018)
10.24411/2308-1198-2018-13001

5. Е.В. Дементьева, С.П. Медведев, Е.А. Елисафенко, С.А. Байрамова, Е.А. Покушалов, К.И. Агладзе, С.М. Закиян Синдром удлиненного интервала QT: генетический анализ пациентов Гены и клетки, номер 4, том 13 (год публикации - 2018)

6. Агладзе К.И. Клеточные технологии в регенеративной медицине сердца: основные проблемы и пути развития. Альманах клинической медицины (год публикации - 2019)
10.187862072-0505-2019-47-043

7. Качалов ВН, Кудряшова НН, Агладзе КИ Spontaneous Spiral Wave Breakup Caused by Pinning to the Tissue Defect JETP Letters (Письма в ЖЭТФ), Pis’ma v ZhETF, vol. 104, iss. 9, pp. 658 – 659 (год публикации - 2016)
10.7868/S0370274X16210098

8. Слотвицкий М.М., Цвелая В.А., Фролова Ш.Р., Дементьева Е.В., Агладзе К.И. Исследование функциональности получаемых из индуцированных плюрипотентных стволовых клеток кардиомиоцитов для моделирования сердечных аритмий при синдроме удлиненного интервала QT ВАВИЛОВСКИЙ ЖУРНАЛ ГЕНЕТИКИ И СЕЛЕКЦИИ (год публикации - 2018)

9. Качалов В.Н., Цвелая В.А., Кудряшова Н.Н., Агладзе К.И Success of spiral wave unpinning from the heterogeneity in a cardiac tissue depends on its boundary conditions JETP Letters, Pis’ma v ZhETF, vol. 106, iss. 9, pp. 585 – 586 (год публикации - 2017)
10.1134/S0021364017210019

Публикации