$$\rightleftharpoonup{xx}$$
$$\longleftharp{xx}$$,
$$\longrightharp{xx}$$,
Historycznie rzecz biorąc, badanie genetycznych i molekularnych mechanizmów napędzających rozwój człowieka i choroby opierało się na generowaniu genetycznie modyfikowanych modeli zwierzęcych. Jednak wielu ludzkich fenotypów nie udaje się z powodzeniem replikować u myszy, głównie z powodu różnic biologicznych istniejących między tymi dwoma gatunkami. Z drugiej strony dostęp do tkanek ludzkich może być ograniczony i często nie pozwala na uzyskanie wystarczającej ilości materiału do pogłębionych badań eksperymentalnych. Dziedzina biologii sercowo-naczyniowej cierpi na oba te ograniczenia: fizjologia ludzkiego serca znacznie różni się od fizjologii myszy, a znaczna ilość tkanki serca jest dostępna tylko po sekcji zwłok lub podczas operacji serca. Znalezienie optymalnego źródła różnicowania funkcjonalnych ludzkich CM stało się zatem centralnym tematem biologii sercowo-naczyniowej i włożono wiele wysiłku, aby rozwiązać ten problem. Zaproponowano różne typy komórek, w tym mioblasty szkieletowe, lokalne komórki macierzyste serca, komórki jednojądrzaste szpiku kostnego, progenitory śródbłonka i mezenchymalne komórki macierzyste. Jednak dane uzyskane przy użyciu tych komórek nie były spójne 4.
Pierwsze 5 i przełomowe odkrycie indukowanych pluripotencjalnych komórek macierzystych (iPS) przez Yamanakę i Thomsona 6,7 później zdawały się dostarczać rozwiązań: komórki te mają zdolność do wzrostu w nieskończoność i potencjał do powstania wszystkich pochodnych komórkowych trzech listków rozrodczych, w tym CM. Zastosowanie komórek iPS ma jeszcze inne zalety: ponieważ pochodzą z autologicznych komórek dorosłych, mają ten sam genom co osoba lub pacjent, od którego pochodzą. Pozwalają one zatem na opracowanie modeli in vitro, które ułatwiają badanie chorób genetycznych człowieka i mechanizmów ich rozwoju. Ze względu na tę cechę, komórki iPS mogą również przezwyciężyć problemy związane z odrzuceniem immunologicznym i kwestiami etycznymi 8. Z tych powodów, mimo że ESC nadal stanowią złoty standard w dziedzinie biologii komórek macierzystych, naukowcy na całym świecie skłaniają się obecnie bardziej ku technologii komórek iPS.
Komórki iPS są teraz wykorzystywane do modelowania ludzkich chorób in vitro dla różnych schorzeń, w tym wrodzonych zaburzeń sercowo-naczyniowych 9,10. Ostatnio przeprowadzono zastosowanie modelowania chorób z komórek iPS w monogenowych zaburzeniach serca (tj. zespołach wydłużonego odstępu QT, katecholaminergicznym polimorficznym częstoskurczu komorowym) oraz patologiach, w których wady serca są częścią złożonego fenotypu (np. zespoły lamparta i tymotki, kardiomiopatia rozstrzeniowa). Doniesienia te potwierdziły, że specyficzne dla pacjenta komórki iPS, które są różnicowane w CM, wykazują podobne cechy fenotypowe i funkcjonalne jak choroba in vivo.
Jednakże, wciąż istnieje wiele wyzwań związanych z poprawą skuteczności indukowania komórek iPS do linii serca. Spontaniczne wytwarzanie CM z ludzkich ESC poprzez tworzenie agregatów zwanych ciałami embrionalnymi (EB) okazało się skuteczne 17. Od czasu tego odkrycia zaproponowano wiele innych metod. Wiele grup znacznie zwiększyło skuteczność protokołu różnicowania i przeszło w kierunku chemicznie zdefiniowanych i wolnych od produktów zwierzęcych odczynników do hodowli (patrz Mummery, C., et al., Circulation Research (2012) w celu kompleksowego przeglądu wszystkich istniejących metod 3).
Niemniej jednak, klasyczna metoda oparta na agregacji EB nadal jest najczęściej stosowana do przeprowadzania badań funkcjonalnych i badania mechanizmów chorobowych. Proponowany przez nas protokół opiera się na agregacji komórek iPS w EB i hodowli w obecności surowicy i kwasu askorbinowego, co, jak wykazano, wzmacnia proces różnicowania serca i pozytywnie wpływa na dojrzewanie tych komórek 18,19. W tym artykule szczegółowo omówimy tę metodologię i pokażemy, jak wykorzystać linie komórkowe iPS bez karmienia do generowania specyficznych dla pacjenta CM pochodzących z iPS.