CC BY
78
© КОЛЛЕКТИВ АВТОРОВ, 2007 УДК 577.1
ВРЕМЯ БИОЛОГИЧЕСКИХ ПЕЙСМЕЙКЕРОВ УЖЕ ПРИШЛО ИЛИ ПРИХОДИТ?
З. Б. Махалдиани, А. В. Сергеев, А. А. Катков
Научный центр сердечно-сосудистой хирургии им. А. Н. Бакулева (дир. - академик РАМН Л. А. Бокерия) РАМН, Москва
В VI веке Р1еп СИ’ю писал, что «перебои» пульса, случающиеся 1 раз на 50 ударов сердца, не указывают на болезнь и не мешают нормальному качеству жизни и долголетию [22]. Однако если на 40 нормальных сокращений приходится 1 неправильное, то это наводит на мысль о наличии болезни (больной орган точно не указывается) и уменьшении продолжительности жизни на 4 года. Увеличение числа неправильных сокращений указывает на то, что все больше и больше органов поражается болезнью, а число оставшихся для жизни лет интенсивно снижается. В конце концов, если на 3—4 нормальных сокращения сердца будет приходиться 1 неправильное, то через 6—7 дней человек должен скончаться.
Через несколько столетий, в 60-е годы XX века, лечение блокады сердца осуществляли с помощью сублингвального приема изопротеренола каждые 2 часа. Были сообщения о возникновении катехо-ламин-индуцированных аритмий; смерть от асистолии наблюдалась не реже 1 раза в месяц. В эти же годы стала развиваться клиническая электрокардиостимуляция. Первые электрокардиостимуляторы были размером с хоккейную шайбу и имплантировались пациентам в подключичную область.
Просто поразительно, насколько быстро развивалась электрическая стимуляция сердца [24]. Она стала одним из самых важных достижений XX века в медицине. На сегодняшний день электрокардиостимуляторы (ЭКС) миниатюрны и обладают функцией предсердно-желудочковой секвенциальной стимуляции. Развитие данного направления идет по пути разработки «более умных» стимуляторов, их наделяют функцией ситуационного ответа. Кроме того, сейчас возможна стимуляция тех областей миокарда, которые ранее были недоступны.
Недавно появилась концепция биологических пейсмейкеров, которые разработаны только в эксперименте и еще не применяются в клинике [18, 20]. Исследователи имплантируют вирусные векторы, кодирующие пейсмейкерные гены в миокардиальных клетках животных при экспериментально
созданной блокаде сердца [5], либо используют стволовые клетки в качестве платформы для доставки пейсмейкерных генов в миокард [10], или непосредственно используют стволовые клетки с имплантированными пейсмейкерными генами при блокаде. Венцом данной методики является имплантация клеток для построения атриовентрикулярных мостиков, по которым импульс проходит от предсердий к желудочкам при экспериментально созданной блокаде сердца и нормально функционирующем синусном узле [7].
КАК РАБОТАЕТ БИОЛОГИЧЕСКИЙ ПЕЙСМЕЙКЕР?
Биологический пейсмейкер создан на основании анализа работы синусного узла. Синусный узел генерирует импульсы, в основе понимания механизма которых лежит открытие ионных каналов HCN (активируемые гиперполяризацией ионные каналы, в воротах которых находятся циклические нуклеотиды). Семейство каналов включает 4 изоформы, обозначаемые HCN 1—4 [4]. Мембранная деполяризация происходит вследствие входящего по данному каналу в клетку натриевого тока. Кроме того, в процессе деполяризации участвует №/Са-транспортер, а также кальциевые каналы L- и Т-типа. Затем происходит реполяризация вследствие исходящего из клетки калиевого тока. Таким образом, любые мероприятия, увеличивающие входящий ток и/или уменьшающие исходящий ток, приведут к увеличению частоты генерации импульсов. Катехоламины, воздействующие на в-адренорецепторы, способствуют связыванию цАМФ с сайтом связывания на НС^канале и вызывают ускорение деполяризации и увеличение частоты генерации импульсов. Связывание ацетилхолина с М-холинорецепторами имеет противоположный эффект.
Первые попытки создания биологического пейсмейкера заключались во введении в предсердие свиней плазмид, кодирующих в2-адренорецеп-торы. При сравнении с животными контрольной группы у свиней экспериментальной группы была
АННАЛЫ АРИТМОЛОГИИ, № 3, 2007
АННАЛЫ АРИТМОЛОГИИ, № 3, 2007
зафиксирована большая частота сердечных сокращений, как при наличии, так и при отсутствии влияния катехоламинов [9]. Проблема использования данного метода заключалась в потенциальной аритмогенности агонистов в-адренорецепторов. Следующим шагом в создании биологического пейсмейкера было использование доминантных негативных аденовирусных конструкций для снижения экспрессии генов калиевых каналов, ответственных за гиперполяризацию мембраны [14]. Данная методика была успешно использована на морских свинках, однако при блокировании калиевых каналов возникала пролонгированная реполяризация, которая может способствовать развитию аритмий [13].
ГЕНЫ HCN
Группа исследователей во главе с M. R. Rosen и другие ученые занимались изучением генов HCN [5, 17] или мутированных генов, обладающих свойствами генов семейства HCN и кодирующих калиевые каналы [11]. Данные гены вводили с помощью катетера в желудочки и предсердия экспериментальных животных для изменения пейсмей-керного тока If. Вирусные векторы приводили к эписомной экспрессии генов. Однако в данной ситуации очень сложно определить общую продолжительность экспрессии. Исследователи показали, что можно обеспечить стабильную пейс-мейкерную функцию, хотя ее не всегда проверяли. Применение мутантных или химерных генов может в значительной степени изменить частоту генерации импульсов [5, 11, 23]. Группа исследователей во главе с M. R. Rosen использовала взрослые человеческие мезенхимальные стволовые клетки, в которые методом электропорации (таким образом избегают использования вирусных векторов) был помещен ген HCN 2. Затем данные клетки вводили в миокард желудочков [16]. Клетки формировали нексусы, через которые передавали пейсмейкерный потенциал другим клеткам. Было установлено, что они были защищены от иммунной системы реципиента. Данные клетки обладали пейсмейкерной активностью в течение 6 нед (предельный срок тестирования) и не отторгались.
Альтернативная клеточная терапия заключалась в использовании человеческих эмбриональных стволовых клеток, коммитированных на развитие в клетки кардиогенной линии. Эти клетки вводили в миокард свиней при сердечной блокаде. Установлено, что данные стволовые клетки интегрируются в миокард и производят стабильный идиовентрикулярный ритм [10]. Однако исследователи до сих пор не сошлись во мнении, нужна ли иммуносупрессивная терапия и возможна ли
неопластическая трансформация данных клеток. Другая стратегия заключается в применении фетальных и/или неонатальных клеток [6, 12, 21].
Приведенные выше данные являются результатом деятельности многих исследовательских групп. Однако остается много нерешенных вопросов. Необходимо прояснить безопасность использования вирусов и клеточных платформ, включая возможность их миграции в другие места в организме и возможность индукции неопластических процессов [18, 20]. Вышеуказанные стратегии необходимо тестировать в течение длительного времени, как это было с электронными кардиостимуляторами (ЭКС) [18, 20]. Отсюда вытекает так называемая концепция тандемной терапии. Смысл ее заключается в одновременной имплантации биологического пейсмейкера и ЭКС. Электронный пейсмейкер мониторирует функции биологического пейсмейкера, а также осуществляет поддержку при отказе последнего. Биологический пейсмейкер, в свою очередь, работает автономно и является основным водителем ритма сердца, экономя таким образом энергию батареи ЭКС. Когда биологический пейсмейкер дойдет до клинических испытаний, это будет некая форма тандемной терапии.
ЗАЧЕМ НЕОБХОДИМО РАЗРАБАТЫВАТЬ БИОЛОГИЧЕСКИЙ ПЕЙСМЕЙКЕР?
Вопрос, которым задаются M. R. Rosen с коллегами, звучит так: «Зачем...?» Если ЭКС нас полностью устраивают, зачем многие исследователи пытаются разработать биологический пейсмейкер?
Во-первых, как хорошо не работали бы ЭКС, они являются формой паллиативной терапии и не излечивают пациента. Электронные пейсмейкеры имеют ограниченный срок работы и требуют мониторинга функций. Кроме того, при применении электронных пейсмейкеров могут возникнуть инфекционные осложнения. В педиатрической практике использование ЭКС связано с определенными проблемами. Электронные пейсмейкеры не настолько совершенно реагируют на физиологические изменения у человека при физической нагрузке и эмоциях, как это делает нативный синусный узел [8, 20].
Во-вторых, наступила эра генной и клеточной терапии [8, 19]. В последние годы были достигнуты большие успехи в генной терапии. Однако лечение с ее помощью заболеваний сердца оказалось более сложной проблемой, чем ожидалось. Кроме того, раньше полагали, что доставка генного материала и его включение в геном с помощью вирусов является наиболее подходящим методом. Однако применение данного метода доставки генного
материала оказалось связанным с высокой час- 7
тотой развития опухолей у больных.
Кроме того, в настоящее время клеточная 8.
терапия в виде использования эмбриональных стволовых клеток, аутологичных или аллогенных взрослых стволовых клеток в большинстве разви- 9.
тых стран все еще законодательно не урегулирована [8, 19]. 10.
Группа ученых под руководством M. R. Rosen работает над биологическими пейсмейкерами. Исследователи считают, что биологические пейс- 11.
мейкеры имеют право на существование. Биологические пейсмейкеры не являются неотложной терапией, а при клинических исследованиях паци- I2.
енты будут надежно защищены электрокардиостимуляторами. 13.
Предварительные положительные результаты, полученные в первых исследованиях, посвященных применению стволовых клеток в лечении 14.
ишемической болезни сердца и сердечной недостаточности [1, 2], и разработанные в связи с этим 15.
торакоскопические методики введения клеточных материалов в миокард ЛЖ на работающем сердце [3] позволят в перспективе использовать торако-скопические технологии также и при клеточной 16
терапии нарушений ритма сердца.
17.
ЛИТЕРАТУРА
1. Бокерия Л. А., Махалдиани З. Б., Сергеев А. В. Совре- 18.
менное состояние проблемы клеточной терапии сердечно-сосудистых заболеваний. Литературный обзор. 19.
Часть I // Бюллетень НЦССХ им. А. Н. Бакулева РАМН. - 2006. - Т. 7, № 5. - С. 4-14.
2. Бокерия Л. А., Махалдиани З. Б., Сергеев А. В. Совре- 20.
менное состояние проблемы клеточной терапии сердечно-сосудистых заболеваний. Литературный обзор.
Часть II // Там же. - С. 14-24. 21.
3. Бокерия Л. А., Махалдиани З. Б., Сергеев А. В. и др. Со-
временное состояние проблемы клеточной терапии сердечно-сосудистых заболеваний. Часть III. Торако-скопический способ доставки клеточных материалов 22.
в левый желудочек (экспериментальное исследование) // Там же. - С. 24-30.
4. Biel M, Schneider A., Wahl C. Cardiac HCN channels: structure, function, and modulation // Trends Cardiovasc.
Med. - 2002. - Vol. 12. - P. 202-216. 23.
5. Bucchi A., Plotnikov A N., Shlapakova I. et al. Wild-type and mutant HCN channels in a tandem biological-electronic cardiac pacemaker // Circulation. - 2006. - Vol. 114. -P. 992-999.
6. Cai J., Lin G., Jiang H. et al. Transplanted neonatal 24.
cardiomyocytes as a potential biological pacemaker in pigs
with complete atrioventricular block // Transplantation. -2006. - Vol. 81. - P. 1022-1026.
Choi Y. H., Stamm C., Hammer P. E. et al. Cardiac conduction through engineered tissue // Amer. J. Pathol. — 2006. — Vol. 169. - P. 72-85.
Committee on Guidelines for Human Embryonic Stem Cell Research, National Research Council. Guidelines for human embryonic stem cell research. — Washington DC: The National Academies Press, 2005.
Edelberg J. M., HuangD. T., Josephson M. E. et al. Molecular enhancement of porcine cardiac chronotropy // Heart. 2001. — Vol. 86. — P. 559—562.
Kehat I., Khimovich L., Caspi O. et al. Electromechanical integration of cardiomyocytes derived from human embryonic stem cells // Nature Biotechnol. — 2004. — Vol. 22. — P. 1282—1289.
Kashiwakura Y., Cho H. C., Barth A. S. et al. Gene transfer of a synthetic pacemaker channel into the heart: a novel strategy for biological pacing // Circulation. — 2006. — Vol. 114. — P. 1682—1686.
Lin G., Cai J., Jiang H. et al. Biological pacemaker created by fetal cardiomyocyte transplantation // J. Biomed. Sci. —
2005. — Vol. 12. — P. 513—519.
Miake J., Marban E., Nuss H. B. Functional role of inward rectifier current in heart probed by Kir2. 1 overexpression and dominant-negative-suppression // J. Clin. Invest. — 2003. — Vol. 111. — P. 1529—1536.
Miake J., Marban E., Nuss H. B. Gene therapy: biological pacemaker created by gene transfer // Nature. — 2002. — Vol. 419. — P. 132—133.
Plotnikov A. N., Shlapakova I. N., Szabolcs M. J. et al. Adult human mesenchymal stem cells carrying HCN2 gene perform biological pacemaker function with no overt rejection for 6 weeks in canine heart // Circulation. — 2005. — Vol. 112. — P. II—221.
Potapova I., Plotnikov A., Lu Z. et al. Human mesenchymal stem cell as a gene delivery system to create cardiac pacemakers // Circ. Res. — 2004. — Vol. 94. — P. 841—959.
Qu J., Plotnikov A. N., Danilo P. Jr. et al. Expression and function of a biological pacemaker in canine heart // Circulation. — 2003. — Vol. 107. — P. 1106—1109.
Rosen M. Biological pacemaking: In our lifetime? // Heart Rhythm. — 2005. — Vol. 2. — P. 418—428.
Rosen M. R. Are stem cells drugs? The regulation of stem cell research and development // Circulation. — 2006. — \bl. 114.— P. 1992—2000.
Rosen M. R., Brink P. R., Cohen I. S. et al. Genes, stem cells and biological pacemakers// Cardiovasc. Res. — 2004. — Vol. 64. — P. 12—23.
Ruhparwar A., Tebbenjohanns J., Niehaus M. et al. Transplanted fetal cardiomyocytes as cardiac pacemaker // Eur. J. Cardiothorac. Surg. — 2002. — Vol. 21. — P. 853—857.
Scherf D., Schott A. Difficult chapters of medicine, edited by Wei Yuan (1693); Hubotter, 1929 — quoted in Scherf D and Schott A. Extrasystoles and allied arrhythmias. 2nd ed. — Chicago: Year Book Medical Publishers, 1973.
Tse H. F., Xue T., Lau C. P. et al. Bioartificial sinus node constructed via in vivo gene transfer of an engineered pacemaker HCN channel reduces the dependence on electronic pacemaker in a sick-sinus syndrome model // Circulation. —
2006. — Vol. 114. — P. 1000—1011.
Zivin A., Bardy G. H., Mehra R. Cardiac pacemakers // Foundations of cardiac arrhythmias / Eds P. M. Spooner, M. R. Rosen. — New York: Marcel Dekker, Inc, 2001. — P. 571—598.
АННАЛЫ АРИТМОЛОГИИ, № 3, 2007
