Serce jak orkiestra

Aby stworzyć biologiczny rozrusznik serca, wystarczy pobrać komórki z ludzkiego serca i połączyć je z niedojrzałymi komórkami mięśniowymi, które można powszechnie znaleźć w ludzkim organizmie – ogłosili niedawno genetycy z Uniwersytetu Johnsa Hopkinsa. Trzeba przyznać, że pomysł brzmi, jakby był wzięty z księgi średniowiecznego alchemika. Jednak przeniesiony na grunt nowoczesnych laboratoriów może stać się jedynym ratunkiem dla milionów ludzi, których serca biją inaczej, niż powinny.

W naszym kraju z chorobami serca zmagają się niemal dwa miliony osób. Co piąta z nich ma arytmię. Uregulowanie pracy serca często jest dla nich sprawą życia i śmierci. Dotychczas jedynym ratunkiem było wszczepienie elektronicznego rozrusznika. Na to jednak nie każdy może sobie pozwolić. Wielu chorych – z racji wysokiego ryzyka zakażenia – nie kwalifikuje się do takiego zabiegu. Bywa też, że pacjenci są po prostu zbyt drobnej postury, by ich klatka piersiowa mogła pomieścić i urządzenie, i przewody. Na dodatek rozruszniki wciąż są niedoskonałe. I mimo postępu technologicznego nadal pozostają daleko w tyle za dziełami natury.

Kiedy serce gubi rytm

Serce człowieka jest jak orkiestra, w której każdy instrument musi bezbłędnie wykonywać swoją partię. Aby mogło skutecznie doprowadzać krew do całego ciała, jego komórki muszą ze sobą ściśle współdziałać. A wiadomo, że bez dyrygenta zawsze wypada to marnie.

W naszym sercu jego rolę spełnia węzeł zatokowy. Za batutę służą włókna mięśniowe rozprowadzające po całym sercu informację o tym, kiedy ma nastąpić kolejny skurcz. Niestety, o tym, jak ważny jest nasz „dyrygent”, przekonujemy się zwykle dopiero wtedy, gdy zaczyna szwankować. A ten najczęściej odmawia posłuszeństwa u osób po zawale albo chorych na cukrzycę lub miażdżycę.

Problemy z sercem mają nadużywający alkoholu, nałogowi palacze oraz pracujący w warunkach ciągłego stresu. Na kłopoty narażają się także osoby zbyt często sięgające po niektóre powszechnie dostępne bez recepty leki na kaszel i gorączkę. Arytmie bywają też schorzeniem rodzinnym, co świadczy o wpływie czynników genetycznych.

Co się dzieje, kiedy dyrygent gubi rytm? Każdy członek orkiestry zaczyna grać według własnego widzimisię. Czasem bez dyrygenta orkiestra jakoś sobie radzi. Podobnie jest z sercem – bez prawidłowo funkcjonującego węzła zatokowego nadal spełnia swoje zadanie. Taki stan nie oznacza jeszcze tragedii, wiąże się jednak ze spowolnieniem akcji serca i z utratą koordynacji, a także z gorszym przystosowywaniem się do zmiennych warunków otoczenia (np. gorączki czy większego wysiłku).

Gorzej, jeśli uszkodzeniu albo zniszczeniu (np. wskutek zawału) ulegną pęczki włókien rozprowadzających impulsy po całym sercu. Zawodzi wtedy komunikacja między przedsionkami a komorami: przestają one współpracować, przedsionki „nie pilnują terminów” dostarczania krwi do komór, zaś każda z komór kurczy się w różnym rytmie. Wówczas mimo tego, że kurczą się z odpowiednią siłą, efekty są mizerne (gorsze od normy nawet o 30 proc.). Serce bije niemiarowo – nadmiernie szybko albo zbyt wolno w stosunku do potrzeb. Krew gorzej krąży, tkanki są niedostatecznie zaopatrywane w tlen. Pojawia się wtedy uczucie kołatania serca, mamy częste zawroty głowy, czujemy się zmęczeni, a nawet możemy zemdleć.

Jeśli taki stan trwa długo, dochodzi do niewydolności krążenia. Komory, zamiast tworzyć sprężysty mięsień, zaczynają przypominać rozciągnięte worki, w których stale zalega krew. Siła skurczu i wydajność naszej pompy znacznie się zmniejsza. Przy najmniejszym nawet wysiłku czujemy się tak, jak gdybyśmy robili coś na szczycie Mount Everestu.

Jeszcze gorzej bywa jednak, kiedy uszkodzenie pojawi się nagle. Następuje wówczas brak synchronizacji pracy zwany migotaniem komór. Każde włókno mięśnia serca kurczy się wtedy własnym rytmem, krew w ogóle nie jest przepompowywana, dochodzi do zatrzymania krążenia. Jeśli w kilka minut sytuacji nie uda się opanować – następuje śmierć. Mimo postępu w kardiochirurgii w ciągu ostatnich 30 lat ryzyko zgonu związane z chorobami układu krążenia dwukrotnie wzrosło. Powikłania sercowe to główna przyczyna zgonów w Polsce. Zawał przytrafia się co roku 100 tys. Polaków, z których co trzeci umiera, nim dotrze do szpitala. Dla porównania: ofiar nowotworów każdego roku jest trzy razy mniej. W zmniejszeniu tego śmiercionośnego żniwa nie pomogły nawet coraz doskonalsze rozruszniki serca.

Geny ruszają na pomoc

Niestety, lista efektów ubocznych związanych z posiadaniem elektronicznego rozrusznika jest długa. Począwszy od uruchamiania czujników w bramkach bezpieczeństwa na lotniskach, po zakaz korzystania z badań rezonansem magnetycznym, bo silne pole magnetyczne może uszkodzić te delikatne urządzenia. Na dodatek, co pewien czas trzeba je wymieniać, gdy wyczerpie się bateria zasilająca.

Nie to jednak sprawia największe trudności w dotychczasowych próbach naśladowania natury za pomocą elektroniki. Choć najnowsze osiągnięcia techniki umożliwiają zwolnienie lub przyspieszenie rytmu pracy serca, to wciąż nie potrafi się ono dostosowywać do sytuacji tak elastycznie jak zdrowy organizm. Nasze serce inaczej bije, gdy śpimy, a inaczej, gdy gramy w tenisa. Przyspiesza na widok ukochanej osoby czy groźnego psa, zwalnia, gdy nurkujemy w głębiny albo relaksujemy się przy ulubionej muzyce. Tego wszystkiego elektroniczne rozruszniki naśladować nie potrafią.

Nic dziwnego, że inżynierów zastąpili inżynierowie genetyczni. By stworzyć idealny rozrusznik serca wzięli komórki z mięśnia i połączyli je z fibroblastami (niedojrzałymi komórkami mięśniowymi, jakie można w organizmie znaleźć niemal wszędzie). Takie komórkowe hybrydy są bardzo łatwe do uzyskania i stabilne, nie potrafią jednak samoistnie się kurczyć. Aby je ulepszyć, naukowcy wyposażyli fibroblasty w dwa dodatkowe geny.

Kiedy zmodyfikowane fibroblasty połączono z komórkami serca, już po 3 minutach zaczęły wytwarzać własne impulsy elektryczne, a efekt utrzymywał się kilka tygodni. Gdy takie same fibroblasty wszczepiono do serc morskich świnek, potrafiły one niemal czterokrotnie przyspieszyć ich rytm, zwolniony uprzednio do niebezpiecznych dla życia granic. Co ważne, komórki te reagowały na zmiany hormonalne podobnie jak normalny węzeł zatokowy, to zaś oznacza, że stworzony z nich zastępczy rozrusznik naśladowałby pierwowzór dużo lepiej niż dostępne dziś urządzenia elektroniczne.

Podobny biologiczny rozrusznik udało się skonstruować prof. Ronaldowi Li (także z JHU), z tym, że do badań użył embrionalnych komórek macierzystych. Profesor „namówił” komórki macierzyste, by przekształciły się we włókna mięśnia sercowego, a następnie wybrał te, które samoistnie się kurczyły. Oznakował je specjalnym genem kodującym fluoryzujące białko i wszczepił do serc morskich świnek. Fluoryzujące komórki nie tylko przeżywały w nowym środowisku, lecz także narzucały zgodny rytm sercom gryzoni. Co ciekawe, układ odpornościowy świnek wydawał się nie zauważać obcych mu przecież gatunkowo komórek i nie odrzucał ich. Tym razem natura poszła na rękę naukowcom.

A to nie zdarza się często. Poprzednie próby przekształcenia „zwyczajnych” komórek serca w rozrusznik za pomocą wirusów zakończyły się fiaskiem. Problem polegał na tym, że „łagodne” adenowirusy tylko na krótko pobudzały mięśnie do samoistnego skurczu, zaś użycie retrowirusów niosło ze sobą zbyt wysokie do zaakceptowania ryzyko rozwoju nowotworów.

Jeśli dalsze prace wypadną równie pomyślnie, pierwsze próby kliniczne z udziałem pacjentów mogą się rozpocząć już za pięć lat. – Marzymy o tym, żeby pacjent przychodził do szpitala, my pobieralibyśmy mu próbkę szpiku kostnego, wprowadzali do komórek nowy gen i po kilku tygodniach dostarczali nowy, biologiczny rozrusznik wprost do serca chorego – mówią naukowcy z JHU. Zanim jednak spełnią się marzenia naukowców, chorym pozostaje tylko jeden ratunek – elektroniczny rozrusznik serca. Na szczęście, wraz z postępem techniki, jest on coraz doskonalszy.

Małgorzata Załoga