Пламенный насос. Естественная история сердца

В настоящее время подсчитано, что ежегодно во всем мире проводится около пяти тысяч операций по пересадке сердца, преимущественно в США. Но тем не менее каждый год миллионы людей погибают от болезней сердца и еще многие тысячи умирают в долгом ожидании очереди на трансплантацию сердца, печени или почек. Мы уже рассматривали историю ксенотрансплантатов и говорили о текущих усилиях по генетическому проектированию штамма свиней – доноров органов. Но, помимо того, возможно, природа может обеспечить нас новыми методами лечения неисправных сердец, также пришедшими из животного мира, но дружественными к животным. И в поисках этих методов все больше исследователей в наши дни возвращаются к природе и ее удивительным эволюционным модификациям.

Одна довольно примечательная адаптация, обнаруженная в животном царстве, – это способность некоторых сердец восстанавливаться после повреждения – особенность, которой катастрофически не хватает человеческим сердцам. Инфаркт миокарда обычно (по крайней мере, отчасти) происходит из-за закупорки одной или нескольких коронарных артерий, что отсекает кровоток как к области сердца, так и ко всем участкам, которые раньше снабжал сосуд. Лишенная кислорода, ткань сердечной мышцы в области снабжения этого сосуда погибает. Если пациент выживает, мертвая мышечная ткань заменяется рубцовой, которая не способна к сокращению и препятствует формированию новых клеток сердечной мышцы. В результате некоторые части этого сложного насоса больше не функционируют и прекрасно скоординированная работа сердца нарушается. Пережившие инфаркт часто сталкиваются с проблемами в будущем, в том числе с повторными инфарктами и в конечном счете сердечной недостаточностью.

Но что, если врачи смогут заменить утерянную или нефункционирующую сердечную ткань? Такое лечение могло бы стать переворотом, особенно учитывая, что ежегодно примерно у полумиллиона американцев диагностируется сердечная недостаточность и уровень смертности среди этих пациентов составляет почти 30 %¹⁶². Поскольку феномен регенерации сердца не встречается у людей (и, если уж на то пошло, у млекопитающих вообще), исследователи обратились за ответом к самому древнему из позвоночных – рыбе, в частности к данио-рерио (Danio rerio), обычному обитателю тропических пресноводных аквариумов.

Хотя исследования этих откладывающих яйца южноазиатских родственников пескаря начались в 1960-х годах, их популярность, особенно в качестве моделей для изучения заболеваний человека, резко возросла после 2013 года. Именно тогда исследователям стали доступны результаты десятилетнего квеста изучения последовательности их генома. Полностью секвенированный геном можно рассматривать как полный набор генетических инструкций, необходимых для развития, роста и поддержания организма.

Исследователи удивились, обнаружив, что более чем 70 % генов данио-рерио совпадают с человеческими и что 80 % генов, ассоциированных с человеческими заболеваниями, имеют свои аналоги у этих рыб¹⁶³. Еще у них есть эквивалент почти каждого человеческого органа и сотни прозрачных развивающихся во внешней среде эмбрионов. Это сочетание признаков позволяет исследователям моделировать состояние человека в быстрорастущем, простом в уходе, насквозь понятном виде. В экспериментальные линии рыбок данио-рерио можно ввести генные мутации, чтобы изучить развитие генетики человеческих заболеваний, например мышечной дистрофии¹⁶⁴, или создать модель сердечных аномалий, что позволит разработчикам лекарств протестировать соединения с возможным терапевтическим эффектом¹⁶⁵.

Однако самым захватывающим стало открытие, что сердца этих рыбок способны полностью регенерировать после ампутации до 20 % их единственного желудочка. По общему признанию, после того как мы не так давно отказались от гладиаторских боев и мародерства, подобные типы ранений стали несколько менее распространенными среди людей, но это открытие оказало огромное влияние на исследования сердца. Ученые отметили, что у данио-рерио, переживших подобную ампутацию, быстро образуется сгусток, предотвращающий катастрофическую потерю крови. Однако по-настоящему уникально то¹⁶⁶, что в течение 30–60 дней после травмы он заменяется полностью функциональными мышечными клетками¹⁶⁷.

В зрелом сердце млекопитающего клетки сердечной мышцы (кардиомиоциты) перестают размножаться, то есть производить новые клетки. Сердце данио-рерио, напротив, способно не только создавать новые функциональные мышечные клетки, но и делать это без вовлечения стволовых клеток. О стволовых клетках ниже мы узнаем гораздо больше, но пока мы можем думать о них как о классе эмбриональных или зрелых клеток, которые в зависимости от действующего стимула могут развиваться в различные типы клеток.