Inżynierowie biomedyczni z Duke University hodowali złożoną, funkcjonalną tkankę mięśniową 3D z komórek macierzystych, aby lepiej zrozumieć i przetestować leczenie niezwykle rzadkiej choroby mięśni zwanej dystrofią mięśniową obręczowo-kończynową typu 2B (LGMD2B), kuzynką lepiej znanej choroby, dystrofii mięśniowej Duchenne’a (DMD). Wyniki ich pracy zostały opublikowane w czasopiśmie Zaawansowana nauka.

Wywołana przez zaburzenie genetyczne, LGMD2B powstrzymuje organizm przed tworzeniem w pełni funkcjonalnej formy białka zwanego dysferliną. W przeciwieństwie do DMD, dotyka zarówno mężczyzn, jak i kobiety, ujawnia się w późniejszym okresie życia (pod koniec okresu dojrzewania lub na początku 20. roku życia) i rzadko jest śmiertelna. Jednak pacjenci z LGMD2B rozwijają poważne osłabienie nóg i ramion, co zazwyczaj wymaga od nich korzystania z wózków inwalidzkich przez resztę życia.

Obecnie nie ma zatwierdzonych metod leczenia ani kuracji na LGMD2B, częściowo ze względu na liczne funkcje dysferliny — w tym uszczelnianie otworów w błonach mięśniowych, regulowanie równowagi wapnia wymaganej do skurczu mięśni i kontrolowanie metabolizmu komórkowego. Z nieznanych przyczyn dotknięte chorobą mięśnie początkowo gromadzą tłuszcz w samych włóknach mięśniowych, zanim ulegną degeneracji i ostatecznie zostaną zastąpione przez komórki tłuszczowe.

„To zjawisko jest bardzo rzadkie nawet w przypadku dystrofii mięśniowych” – powiedział profesor Nenad Bursac z Duke University. „To palące pytanie w społeczności, dlaczego tak się dzieje”.

Jednym z wyzwań, przed którymi stoją badacze próbujący rozwiązać te problemy, jest to, że model myszy używany do przybliżenia LGMD2B wykazuje bardzo łagodne objawy w porównaniu z pacjentami. Myszy z chorobą są nadal w stanie chodzić, a choroba nie ujawnia się aż do prawie roku z ich dwuletniego życia, co sprawia, że ​​badania nad chorobą są niezwykle powolne. Dysferlina jest wyrażana w innych typach komórek, a poziomy paliw metabolicznych, takich jak cholesterol, we krwi są również zmienione u myszy i pacjentów. Łącznie komplikuje to badania nad LGMD2B, utrudniając ocenę, jakie typy komórek są odpowiedzialne za chorobę i czy zmiany metaboliczne są spowodowane utratą samej dysferliny, czy też wpływem na cały organizm.

Aby obejść te wyzwania, Bursac i naukowiec badawczy Alastair Khodabukus zwrócili się w stronę inżynieryjnej platformy mięśniowej, którą rozwijali przez prawie dekadę. Uważano, że Bursac Lab jako pierwsze wyhodowało kurczliwe, funkcjonalne ludzkie mięśnie szkieletowe w szalce Petriego i od tego czasu udoskonala swoje procesy, aby umożliwić badania siły mięśni, metabolizmu i naprawy. Ten system pozwolił im skupić swoje badania wyłącznie na wpływie dysferliny na mięśnie szkieletowe bez komplikacji związanych z innymi typami komórek lub zmienionymi profilami metabolitów we krwi.

W nowym badaniu naukowcy zaczęli od indukowanych pluripotentnych komórek macierzystych (IPSC) pochodzących od pacjentów żyjących z LGMD dostarczonych przez The Jain Foundation, organizację charytatywną skupioną na znalezieniu lekarstwa na LGMD2B. Korzystając z technik wzrostu mięśni, laboratorium rozwinęło te komórki macierzyste do postaci włókien mięśniowych i poddało je serii testów w ciągu sześciu tygodni. Podobnie jak mięśnie znalezione u samych pacjentów, wersje hodowane w laboratorium wykazywały szeroki zakres problemów.

„Ogólnie rzecz biorąc, nasz model powtórzył wiele objawów klinicznych choroby i obserwacji poczynionych u prawdziwych pacjentów, ale wszystko to zostało wykonane na szalce Petriego” — powiedział Bursac. „Udało nam się uzyskać nowe spostrzeżenia na temat aspektów choroby związanych z mięśniami”.

Naukowcy odkryli, że utrata siły mięśni nie była wynikiem niedoborów w strukturze mięśni lub ich wielkości, ale w ich zarządzaniu wapniem. Skurcze mięśni są fizycznie powodowane przez uwalnianie rezerw wapnia w komórkach mięśniowych i wiązanie się z białkami mięśniowymi. Testy wykazały, że chore komórki mięśniowe miały wycieki w swoich rezerwach wapnia, co skutkowało mniejszą ilością uwalnianego wapnia i słabszymi skurczami.

Naukowcy wykazali również, że brak dysferliny powoduje, że uszkodzenia komórek mięśniowych nie zostają naprawione, a niezdolność do spalania kwasów tłuszczowych w celu produkcji energii jest przynajmniej częściowo przyczyną gromadzenia się tłuszczu we włóknach mięśniowych, co od dawna zastanawia środowisko medyczne.

„Stworzyliśmy coś, co zaobserwowano u pacjentów, i pokazaliśmy, że przyczyną nie są czynniki środowiskowe w organizmie, ale problemy w samym mięśniu” – powiedział Khodabukus.

Następnie naukowcy przetestowali działanie dwóch kandydatów na leki potencjalnie leczące chorobę, które zostały zidentyfikowane na modelach mysich, ale nie zostały jeszcze przetestowane na ludziach. Jeden, zwany dantrolenem, ma zapobiegać wyciekaniu wapnia z rezerwuarów komórek mięśniowych. Drugi, zwany wamorolonem, został niedawno zatwierdzony do stosowania u pacjentów z DMD, chociaż naukowcy nie do końca rozumieją, jak działa.

Razem leki zapobiegły wyciekowi wapnia i pomogły błonie komórkowej naprawić się, przywracając znaczną część siły mięśni. Ale chociaż pomogły również zmniejszyć ilość tłuszczu nagromadzonego w mięśniach, nie zapobiegły temu całkowicie, ani nie pomogły mięśniom skutecznie spalać tłuszczów jako paliwa.

W przyszłości grupa planuje dodać komórki odpornościowe i tłuszczowe do swoich eksperymentów, aby zwiększyć złożoność. Chcą również lepiej zrozumieć zakłócenia metabolizmu komórkowego i znaleźć nowe leki, które w pełni przywrócą całą siłę, naprawę i deficyt metaboliczny.

„Obecnie mamy podstawowy system obejmujący wyłącznie mięśnie, co jest świetne, gdy widzimy skutki choroby w obrębie samych mięśni, ale ważne jest również wzajemne oddziaływanie między komórkami odpornościowymi, komórkami tłuszczowymi i komórkami mięśniowymi” — powiedział Khodabukus. „Rozbudowując nasz system, mamy nadzieję, że będziemy w stanie w pełni ustalić, co powoduje utratę mięśni i ich zastępowanie tłuszczem u tych pacjentów”.

Podpis pod ilustracją: Zestaw szalek Petriego, w każdej z nich znajduje się platforma do hodowli włókien mięśniowych z komórek macierzystych.