Хотя кардиомиоциты, производные эмбриональных стволовых клеток человека (hESC-CMs), формируют щелевые соединения и сокращаются синхронно in vitro^6,7, имеются лишь косвенные доказательства их электромеханической интеграции после трансплантации^6-8. Мы не знаем, сокращаются ли трансплантаты hESC- CM синхронно с физиологической для человека скоростью, интегрируются ли в поврежденные сердца, несмотря на рубцовую ткань и воздействуют ли на электрическую стабильность. В самом деле, способствующие аритмии⁹ и против-аритмические¹⁰ эффекты были описаны для трансплантатов кардиомиоцитов мышей в поврежденных сердцах мышей.

Кардиальные трансплантаты человека должны скорее всего вносить вклад в устранение аритмии за счет автоматизма^11-14 и запускать активность¹⁵, а их нерегулярная геометрия трансплантатов д. способствовать возобновлению ритма^1-3,16.

Чтобы устранить эти неопределенности, разработали на морских свинках новую модель кардиальных повреждений. До работы с hESC-CMs в сердцах с инфарктом мы использовали мышей и крыс^1-3, но у этих видов очень быстрые сердцебиения (приблизительно 600 и 400 сердцебиений в мин. (b.p.m.), соотв.¹⁷), то может мешать купированию трансплантат-хозяин и аритмиям, которые д. возникать у человека. In vitro hESC-CMs обнаруживают спонтанную скорость приблизительно в 50 -150 b.p.m.^12,13,18 и могут увеличивать темп до 240 b.p.m., демонстрируя, что они могут выдерживать темп сердца морских свинок (приблизительно 200 - 250 b.p.m.¹⁹). Мы сначала проверили структурные, механические и электрокардиографические последствия трансплантаций hESC-CM в поврежденные сердца иммуносупрессированных морских свинок (Supplementary Fig. 1a). hESC- CMs были получены из H7 hESCs, как это было описано ранее^2,20. Взрослые морские свинки подвергались криоповреждениям сердца и им имплантировали телеметрические трансмиттеры electrocardiographic (ECG). Спустя 10 дней они подвергались повторной торакотомии и в сердце инъецировали или 1 3 108 hESC-CMs в pro-survival cocktail (PSC) факторов, которые, как было установлено, усиливают приживление hESC-CM² (n 5 15), 1 3 108 не кардиальные производные hESC в PSC (non-CMs; n 5 13), или только PSC (n 5 14). hESC-CMs были на 63% очищены с помощью anti-a-actinin проточной цитометрии, тогда как не-CMs включали не выявленные кардиомиоциты (Supplementary Fig. 2). Спустя 28 дней после трансплантации все животные обнаруживали внутристеночные рубцы и истончение левого желудочка. Область рубца не отличалась у разных групп (13.2 6 0.9% в левом желудочке с hESC-CM, 14.8 6 1.4% в не-CM и 15.3 6 1.9% у реципиентов только PSC).

Однако реципиенты hESC-CM обнаруживали частичную ремускуляризацию с островками человеческого миокарда, занимающего 8.4 6 1.5% области рубца (Fig. 1a). Человеческое происхождение этих трансплантатов было подтверждено с помощью гибридизации in situ с человеческим пан-центромерным зондом и более 99% человеческих клеток иммуноокрашивалось позитивно на кардиальный маркер b-myosin heavy chain (bMHC; также известен как MYH7) (Fig. 1b and Supplementary Fig. 3a-f). Тератомы не развивались и трансплантаты hESC-CM были негативны по множественным не кардиальным маркерам (Supplementary Fig. 3g-k). Большинство трансплантатов миокарда локализовалось в центре рубца, но иногда встречались точки контактов хозяин-трансплантат в пограничной зоне с совместно используемыми интеркалированными дисками, идентифицируемыми с помощью анти-connexin 43 и cadherin иммуноокрашивания (Fig. 1c-h and Supplementary Fig. 3d, e). Минимальная иммунная реакция наблюдалась в срезах, окрашенных специфичным для морских свинок pan-leukocyte маркером (Supplementary Fig. 3l). Трансплантаты снабжались новыми сосудами хозяйского происхождения, которые содержали эритроциты, указывая на перфузию с помощью коронарной циркуляции хозяина (Supplementary Fig. 3h, m-o).

Выжившие человеческие клетки обнаруживались у 7 из 13 не-CM реципиентов спустя 28 дней после трансплантации и эти трансплантаты были более мелкими, чем те, что у реципиентов hESC-CM (менее 1% области рубца). Не обнаружено bMHC-позитивных не-CM реципиентов; вместо выживших человеческих клеток обнаруживались небольшие эпителиальные гнезда разбросанных фибробластных клеток (Supplementary Fig. 4).

Сердца, получившие hESC-CMs, non-CMs и только PSC, оценивали эхокардиографически спустя 22 и 128 дней после трансплантации. Все группы обнаруживали увеличение размеров левого желудочка и уменьшение фракционного укорочения на 22день по сравнению с неповрежденным контролем.

Трансплантационные исследования на мышах и крысах показали, что кардиомиоциты, происходящие из эмбриональных стволовых клеток человека (human embryonic-stem-cell-derived cardiomyocytes (hESC-CMs)) могут улучшать функцию инфарктных сердец ^1-3, но два критических вопроса, связанные с их электрофизиологическим поведением in vivo оставались нерешенными. Во-первых, риск аритмий в результате трансплантации hESC-CM в поврежденные сердца, не определен. Во-вторых, электромеханическая интеграция hESC-CMs в поврежденных сердцах не была продемонстрирована, так что оставалось неясным, улучшают ли эти клетки контрактильную функцию непосредственно путем добавления новых силу-генерирующих единиц. Поврежденные сердца морских свинок с трансплантатами hESC-CM обнаруживают улучшение механической функции и существенно снижают показатель как спонтанных, так и индуцированных вентрикулярных тахикардий. Чтобы оценить активность hESC-CM трансплантатов in vivo, мы трансплантировали hESC-CMs, экспрессирующие генетически кодируемый сенсор кальция , GCaMP3 (refs 4, 5). С помощью корреляции флюоресцентного сигнала GCaMP3 с ЭКГ хозяина мы установили, что трансплантаты в поврежденных сердцах обнаруживают согласованное 1:1 купирование хозяин-трансплантат. Трансплантаты в поврежденных сердцах более гетерогенны и обычно включают как купированные, так и не купированные регионы. Т.о., человеческие миокардиальные трансплантаты удовлетворяют физиологическим критериям настоящей регенерации сердца, предоставляя подтверждение для дальнейшего развития базирующейся на hESC кардиальной терапии как для механической, так и электрической репарации.