Создание биологического пейсмейкера на основе нановолоконных структур

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 25-65-00037

НазваниеСоздание биологического пейсмейкера на основе нановолоконных структур

Руководитель Романов Александр Борисович, Доктор медицинских наук

Организация финансирования, регион федеральное государственное бюджетное учреждение «Национальный медицинский исследовательский центр имени академика Е.Н. Мешалкина» Министерства здравоохранения Российской Федерации , Новосибирская обл

Конкурс №105 - Конкурс 2025 года «Проведение фундаментальных научных исследований и поисковых научных исследований по поручениям (указаниям) Президента Российской Федерации» (междисциплинарные проекты)

Область знания, основной код классификатора 05 - Фундаментальные исследования для медицины; 05-101 - Экспериментальная медицина

Ключевые слова Биологический пейсмейкер, тканевая инженерия, стимуляция сердца, синоатриальный узел, атриовентрикулярный блок, электроспиннинг, нановолокна, клеточная культура, кардиомиоциты, проводящая система сердца

Код ГРНТИ76.03.29

ИНФОРМАЦИЯ ИЗ ЗАЯВКИ

Аннотация
Для оптимизации лечения нарушений ритма сердца в настоящее время активно изучаются возможности восстановления функций проводящей системы с использованием биологических материалов, которые могли бы обеспечивать стабильный физиологичный ритм в течение всей жизни, без потребности в замене и проаритмогенных эффектов. Данная технология осуществляется благодаря возможностям генной и клеточной терапии. Использование биологических пейсмейкеров подразумевает пожизненную кардиостимуляцию, адекватный ответ на реакции автономной нервной системы и адаптацию к росту организма. Для поиска новых подходов к терапии сердечно-сосудистых заболеваний (ССЗ) современная экспериментальная медицина использует несколько типов модельных систем, в основе - лабораторные мыши и крысы. Несмотря на огромный массив информации о патогенезе и способах терапии ССЗ, полученный на лабораторных животных, существуют ограничения в использовании этих систем, обусловленные значительными различиями в физиологии сердечно-сосудистой системы между грызунами и человеком. Особенно остро эта проблема стоит при моделировании синдромов, связанных с нарушением функционирования ионных каналов и проводящей системы, поскольку у разных животных различные типы ионных каналов могут играть ключевую роль в процессе реполяризации кардиомиоцитов (КМЦ). Выходом из данной ситуации может стать использование КМЦ человека, полученные различными путями: клетки пациента и индуцированные плюрипотентные стволовые клетки (ИПСК). ИПСК – это новый тип стволовых клеток, которые могут быть получены из соматических клеток человека с помощью сверхэкспрессии набора генов, кодирующих транскрипционные факторы или микроРНК. ИПСК имеют ряд существенных преимуществ, поскольку они могут быть получены в любой период жизни пациентов практически из любого типа дифференцированных клеток. В настоящее время разрабатываются надежные и эффективные методы направленной дифференцировки ИПСК в КМЦ различных типов, включающие кардиомиоциты синусового узла, предсердные и желудочковые кардиомиоциты. Получаемые при дифференцировке ИПСК кардиомиоциты очень схожи с нативными клетками сердца человека по морфологии, экспрессии белковых маркеров, электрофизиологическим показателям и чувствительности к химическим веществам. Наряду с этим, современные технологии тканевой инженерии дают возможность получать органоспецифичные структуры для регенеративной медицины. На пути к внедрению данных технологий имеются значительные ограничения, представленные непродолжительной жизнью клеток, риском отторжения и вероятностью мутирования. На сегодняшний день использование в качестве носителей для клеточного материала синтетических биодеградируемых полимеров на основе полиуретана, поликапролактона, полимолочной, полигликолевой кислоты и их сополимеров, является наиболее перспективным направлением в тканевой инженерии. Для получения микроволокон с различными механическими и биофизическими свойствами используется электроспиннинг. Данная технология позволяет создать надежный матрикс, способный к биодеградации и обладающий биосовместимостью, что позволяет интегрировать их в нативные ткани человека. В мире отсутствуют данные относительно методов доставки, приживления и функционирования биологический пейсмейкеров у крупных лабораторных животных, тем более у человека. Необходимы дополнительные исследования для достижения этой цели. Поэтому широко открыты возможности внедрения культивированных клеток в биологические структуры человека. Проект может послужить первым шагом к развитию и разработке матриксов для изучения биофизических и электрофизиологических свойств культивированных пейсмейкерных тканей, которые могли бы применяться в регенеративной терапии, а также методов доставки и электрофизиологической оценки функционирования биологический пейсмейкеров in vivo. Применение данной технологии может стать стандартом развития аутологичной биологической терапии.

Ожидаемые результаты
В ходе проекта будут разработаны первые прототипы биологических пеймейкеров, способы доставки in vivo на различных лабораторных моделях, разработан протокол оценки их функционирования с применением методов исследования внутрисердечной электрофизиологии, а также получены новые научные данные о функциональных возможностях биологических пейсмейкеров, которые придут на смену стандартным электрокардиостимуляторам и будут лишены их недостатков, таких как: относительно низкий срок службы батареи, необходимость наличия инородных тел в полости сердца, риск инфекционных осложнений, необходимость ежегодного контроля, высокая стоимость, дискомфорт пациента и т.д. При этом биологические пейсмейкеры будут обладать неоспоримым преимуществом реагировать на изменения в автономной нервной системе реципиента, тем самым подстраиваясь не только под физиологическое, но и под эмоциональное состояние человека и возможностью неограниченного срока службы, чего на данный момент времени невозможно добиться другими способами. В ходе проекта будет разработан подход для изучения электрофизиологических и биофизических свойств пейсмейкерных клеток, технология трансплантации в кардиальные ткани с помощью биологических матриксов, а также изучена терапия биологическими имплантами. Коммерциализация разработанных продуктов приведёт к технологическому прорыву на рынке кардиостимуляторов и к значительному ограничению использования имплантируемых устройств, что позволит замещать утерянные функции проводящей системы сердца биологическими водителями ритма.

ОТЧЁТНЫЕ МАТЕРИАЛЫ

Аннотация результатов, полученных в 2025 году
В 2025 году в рамках проекта по созданию биологического водителя ритма сердца выполнен комплекс фундаментальных и прикладных исследований. Методом электроспининга были изготовлены нановолоконые патчи в качестве биодеградируемого носителя. После скрининга более 20 сочетаний коллагена и полимолочной кислоты оптимальным признан материал, содержащий 11,5% и 1,5% этих компонентов (соотв.). Период его полураспада (гидролиза) составляет 5,5 суток, что достаточно для поддержки трансплантата на этапе приживления. Доклинические испытания на крысах подтвердили биосовместимость носителя: он не вызывает системного воспаления, а пейсмейкерные кардиомиоциты успешно адгезируются на его фибронектин-модифицированной поверхности. Параллельно разработаны и оптимизированы протоколы культивирования линий ИПСК человека и их направленной дифференцировки в кардиомиоциты с пейсмейкерным фенотипом. Для двух линий ИПСК (iSMA6L и m34sk3) подобраны индивидуальные режимы дифференцировки, что позволило увеличить выход целевых пейсмейкерных кардиомиоцитов до 20–60%. Полученные клетки охарактеризованы как иммуноцитохимически (экспрессия кардиальных маркеров), так и функционально. Методами оптического картирования и патч-клампа доказано, что они обладают стабильной спонтанной активностью (60–150 уд./мин.), ключевой фазой медленной диастолической деполяризации и специфическим электрофизиологическим профилем, указывающим на доминирование изоформы канала Cav1.3. Для комплексного тестирования будущего биологического водителя сердечного ритма разработаны экспериментальные модели. На in vitro модели исследована интеграция получаемых клеток в монослой желудочковых кардиомиоцитов (46% синхронизация через 3 часа), на модели фиброза воспроизведены нарушение проведения. Отработаны хирургические протоколы на животных: миниинвазивная имплантация у крыс и создание модели инфаркта с выживаемостью ~80%. На минисвиньях, наиболее релевантной для трансляционных исследований модели, успешно апробированы имплантация эндокардиальной электродной системы, 3D-электрофизиологическое картирование для идентификации целевых зон имплантации и дистанционный телеметрический мониторинг сердечной деятельности. Таким образом, выполненные работы заложили технологический фундамент для дальнейшей разработки биологического пейсмейкера, включающий получение нановолоконного клеточного носителя с контролируемой деградацией, эффективный метод получения функциональных клеток-пейсмейкеров и комплексную систему их доклинической оценки. Эти результаты создают прочную основу для перехода к следующему этапу проекта.

Публикации

1. Джабраилов В. Д., Бричагина А.А., Кононова Д.В., Турчанинова Е.А., Слотвицкий М.М., Цвелая В.А., Агладзе К. И., Романов А. Б. Фотоуправляемый тканеинженерный биологический кардиостимулятор: доказательство концепции на ex-vivo модели сердца крысы журнал «Патология кровообращения и кардиохирургия» , Том 29, № 4 (год публикации - 2025)

2. Алхатиб Р., Турчанинова Е.А., Кононова Д.В., Робустова С.Д., Долгодворова А.А., Цвелая В.А., Агладзе К.И. Паракринные эффекты мезенхимальных клеток: перспективы развития Гены и клетки, Т. 20, № 3. С. 178–193, DOI: 10.17816/gc642935 EDN: EZGWBI (год публикации - 2025)
https://doi.org/10.17816/gc642935

3. Турчанинова Е.А., Робустова С.Д., Коваленко С.Г., Джабраилов В.Д., Долгодворова А.А., Романова С.А., Зыбин Д.И., Попов М.А., Мифтахова А.Т., Фролова С.Р., Слотвицкий М.М., Романов А.Б., Агладзе К.И., Цвелая В.А. Refining fibroblast-to-cardiomyocyte transdifferentiation protocols to explore emergent self- organization in cardiac cultures Research Square (год публикации - 2025)
https://doi.org/10.21203/rs.3.rs-7186257/v1

4. Джабраилов В.Д., Турчанинова Е.А., Кононова Д.В., Ильин Е.Д., Слотвицкий М.М., Ефимов А.Е., Агапов И.И., Цвелая В.А., Романов А.Б., Агладзе К.И. Quantifying Early Electromechanical Integration of Cardiomyocytes Using a Minimalist PCL Nanofiber Platform Preprints.org (год публикации - 2025)
https://doi.org/10.20944/preprints202511.0411.v1