Исследователи из из Калифорнийского университета в Беркли, США  успешно оживили ткани человеческого сердца, которые были заморожены и находились при отрицательных температурах в течение от 1 до 3 дней.

Сохранив ткани сердца при неизменном объеме в жесткой изохорной термокамере, научные сотрудники смогли избежать возникновения кристаллов льда, которые могли бы разрушить клетки сердечной мышцы. Они исследовали структурные особенности сердечных клеток и проверили, сохранила ли ткань свои естественные функции, в частности, автономные сокращения и реакцию на лекарства и внешние электрические импульсы.

Иллюстрация изохорной камеры, которая переохлаждает сердечную ткань до минусовых температур без образования льда. (Изображение Энтони Консильо, Калифорнийский университет в Беркли)

Результаты, описанные в статье, опубликованной 22 сентября в журнале Communications Biology, являются ключевым доказательством концепции криоконсервации переохлажденных тканей.

Использованный ими метод, называемый изохорным переохлаждением, был впервые применен в лаборатории Бориса Рубинского, профессора Высшей школы Калифорнийского университета в Беркли на факультете машиностроения, почетного профессора биоинженерии и старшего автора исследования.

"Насколько нам известно, это первый в истории отчет о переохлаждении и оживлении автономно бьющейся сердечной мышцы человека", - сказал соавтор исследования Мэтт Пауэлл-Палм, постдокторант в лаборатории Рубинского.

Изображения, полученные с помощью конфокального микроскопа, показывают, что целостность и выравнивание саркомеров, или мышечных филаментов, в ткани сердца человека, созданной с помощью инжиниринга, сохранились после консервации в переохлажденном состоянии. (Изображение предоставлено Мэттом Пауэлл-Палмом, Калифорнийский университет в Беркли)

Рубинский отметил, что эти результаты имеют прямое отношение к сохранению и транспортировке платформ "орган-на-чипе", расширяя доступ к ним за пределы немногих лабораторий, которые могут производить их для научных исследований и промышленности. "Такие платформы являются ценными инструментами для разработки новых лекарств от болезней сердца и других органов", - сказал он.

Результаты также свидетельствуют о том, что изохорное переохлаждение может стать в будущем эффективным методом сохранения донорских тканей и органов - сложнейшая задача, стоящая перед сообществом трансплантологов и специалистами в области медицинских разработок, говорят авторы исследования. Ученые привели оценки, согласно которым семь из 10 донорских органов грудной клетки ежегодно выбрасываются из-за невозможности сохранять их достаточно долго, чтобы доставить нуждающимся пациентам. Жизнеспособность донорского сердца, например, измеряется часами, что значительно ограничивает число потенциальных реципиентов, которые могут воспользоваться спасительной трансплантацией.

"В настоящее время пациенты во Флориде не могут получить сердце или легкое из Калифорнии, потому что орган не выдержит длительной транспортировки по стране", - говорит Пауэлл-Палм.

Решение этих проблем является ключевой целью инженерно-исследовательского центра "Передовые технологии для сохранности биологических систем" (ATP-Bio), финансируемого в прошлом году Национальным научным фондом. Кевин Э. Хили, профессор биоинженерии и материаловедения и инженерии, является руководителем ATP-Bio в Калифорнийском университете Беркли и еще одним старшим автором данного исследования.

Не оставляя места для льда

Состояние постоянного объема, характерное для изохорного замораживания, требует, чтобы образец хранился в жидкости в герметичном жестком контейнере без доступа воздуха. В таких условиях нет места для образования повреждающего клетки льда даже при температуре ниже нуля.

Это отличается от обычного изобарического замораживания, при котором материал находится в контакте с атмосферой при постоянном давлении. Образцы замораживаются в твердом состоянии при атмосферном давлении, что требует дополнительных затрат энергии.

Рубинский подчеркнул, что в предыдущих экспериментах им удалось охладить образцы до минус 22 градусов по Цельсию, сохранив 40% материала незамороженным. "Это фундаментальный принцип термодинамики. Если материал, который предстоит заморозить, заключен в жесткую конструкцию, то замерзает только часть объема", - сказал он.

Рубински, Пауэлл-Палм и ученые из Министерства сельского хозяйства США недавно показали, что изохорное замораживание может быть применено в пищевой промышленности, что приведет к более качественному сохранению продуктов и снижению потребления энергии по сравнению с традиционными методами замораживания.

Исследователи имеют патент UC на изохорное переохлаждение, а Пауэлл-Палм является генеральным директором BioChoric Inc., стартапа, работающего над клиническим применением этой технологии.

Прекрасные результаты

Для этого исследования ученые использовали сердечную ткань, выращенную из взрослых стволовых клеток, - технологию "сердце-на-чипе", которая была разработана в лаборатории Хили в 2015 году. Сердечная ткань бьется в том же ритме, что и человеческое сердце, а микрофлюидные каналы системы воспроизводят способ воздействия на клетки питательных веществ и лекарств.

"Недостаточно сказать, что эти биологические образцы пережили переохлаждение", - говорит Хили. "Мы хотели продемонстрировать, что физиологические и метаболические функции остались практически нетронутыми".

Исследователи погрузили сердце-на-чипе (heart-on-a-chip) в жесткую камеру, заполненную обычным раствором для консервации органов, который был охлажден до минус 3 градусов по Цельсию. Они извлекали сердечные клетки из раствора через 24, 48 или 72 часа и возвращали их в теплую температуру 37 градусов Цельсия.

Осмотр тканей сердца подтвердил, что изохорное переохлаждение не изменило структурную целостность тканей сердца и не оказало существенного влияния на частоту ударов или форму волны ударов. Авторы исследования отметили, что при более длительных периодах переохлаждения наблюдалась небольшая тенденция к увеличению продолжительности сердцебиения, однако физиологическое влияние этого изменения было неясно.

Было обнаружено, что спонтанное биение возобновилось у 65-80% образцов сердечной мышцы человека, подвергавшихся переохлаждению в течение трех дней. Более того, они не выявили существенной разницы в зависимости от продолжительности сохранения в переохлажденном состоянии.

"Мы считаем эти проценты относительно высокими для результатов восстановления после консервации, особенно учитывая внутреннюю изменчивость этих платформ "сердце-на-чипе" и тот факт, что криопротекторы не использовались", - сказал Пауэлл-Палм.

Исследователи обнаружили также, что после выхода из криоконсервации сердечная ткань оставалась чувствительной к изопротеренолу - лекарству, которое приводит к увеличению частоты сердечных сокращений. Они подчеркнули, что необходима дальнейшая работа, чтобы перенести эти исследования на полноценные органы.

"Технология, используемая для замораживания тканей, надежна и безопасна, но теперь нам необходимо разработать методы последовательного согревания", - сказал Хили. "Это было проще с мини-сердечными мышцами, которые мы использовали для этого исследования. Работа над целыми органами потребует больше усилий".