Οι αλληλεπιδράσεις μεταξύ της αναπτυσσόμενης καρδιάς και των πνευμόνων είναι απαραίτητες για τη σωστή ανάπτυξη και ωρίμανση. Ωστόσο, πολλά είναι ακόμη άγνωστα σχετικά με τη συνανάπτυξη αυτών των κρίσιμων οργάνων. Για να παράσχει νέα εικόνα, μια ομάδα συνεργατών από το CMU και το Πανεπιστήμιο της Βοστώνης παρουσίασε πρόσφατα το πρώτο εργαστηριακό μοντέλο για τη συνανάπτυξη της ανθρώπινης καρδιάς και πνευμόνων για να βοηθήσει τους ερευνητές να ανακαλύψουν νέες στρατηγικές για να διερευνήσουν τους υποκείμενους μηχανισμούς των καρδιο-πνευμονικών αλληλεπιδράσεων. Τα όργανα αρχίζουν να διαμορφώνονται κατά τους πρώτους μήνες της ζωής καθώς το μωρό μεγαλώνει ως έμβρυο μέσα στη μήτρα. Κατά τη διάρκεια αυτής της εμβρυογένεσης, διαφορετικά στρώματα βλαστοκυττάρων ενεργοποιούνται για να μετατραπούν σε συγκεκριμένους τύπους κυττάρων, για παράδειγμα, ένα κύτταρο καρδιάς ή πνεύμονα.
Η καρδιά και οι πνεύμονες αναπτύσσονται από δύο διακριτά βλαστικά στρώματα μέσα στο έμβρυο, το μεσόδερμα και το ενδόδερμα, τα οποία πρέπει να επικοινωνούν μεταξύ τους για να σχηματιστούν σωστά τα όργανα. “Η επιστημονική μου κατάρτιση έχει τις ρίζες της στην αναπτυξιακή βιολογία”, εξήγησε ο Τσάρλι Ρεν, επίκουρος καθηγητής βιοϊατρικής μηχανικής. “Ήμουν περίεργος για το πώς θα μπορούσαμε να δανειστούμε μαθήματα από την εμβρυογένεση για να κατανοήσουμε βαθύτερα πότε κάτι πάει στραβά με τα κρίσιμα όργανά μας, όπως αυτό που βλέπουμε σε συγγενείς ασθένειες. Τα ζωικά μοντέλα προσφέρουν μερικές απαντήσεις, αλλά υπάρχουν βασικές διαφορές που μας εμποδίζουν να μεταφράσουμε δεδομένα για την ανθρώπινη κατανόηση. Ξεκινήσαμε να δημιουργήσουμε ένα μοντέλο που θα μπορούσε να εφαρμοστεί άμεσα στην ανθρώπινη υγεία.”
Σε εργασία που δημοσιεύτηκε στο eLife, η ομάδα ανέπτυξε ένα ανθρώπινο μοντέλο συν-ανάπτυξης καρδιάς και πνεύμονα κατά τη διάρκεια της εμβρυογένεσης χρησιμοποιώντας πολυδύναμα βλαστοκύτταρα που έχουν αναπτυχθεί στο εργαστήριο (hiPSCs). Τα hiPSC υποβλήθηκαν σε επεξεργασία με χημικά σήματα, με αποτέλεσμα να σχηματίσουν διαφορετικά βλαστικά στρώματα που εξελίχθηκαν σε πρώιμες μορφές καρδιακών και πνευμονικών κυττάρων. Στη συνέχεια, τα κύτταρα μεταφέρθηκαν σε μια προσαρμοσμένη κατάσταση ανάπτυξης, όπου τακτοποιήθηκαν σε τρισδιάστατες δομές που ονομάζονται μικροϊστοί. Είναι ενδιαφέρον ότι η έρευνα αποκάλυψε ότι τα κύτταρα του πνεύμονα ωρίμαζαν γρηγορότερα όταν αναπτύσσονταν σε μικροιστούς συνοδευόμενα από αναπτυσσόμενα καρδιακά κύτταρα, σε σύγκριση με τα αναπτυσσόμενα πνευμονικά κύτταρα μόνο.
“Παραδοσιακά σε εργαστηριακό περιβάλλον, έχουμε αναπτύξει όργανα ξεχωριστά, για να περιορίσουμε τα τεχνικά εμπόδια που σχετίζονται με την εξισορρόπηση της γενεαλογίας δύο οργάνων και μια συνταγή που χρειαζόταν για την υποστήριξη και των δύο”, σημείωσε ο Ρεν. “Ωστόσο, μέσω αυτού του νέου μοντέλου συνανάπτυξης, ανακαλύψαμε ότι ο πνεύμονας χρειάζεται την καρδιά. Μπορέσαμε να δείξουμε ότι όταν η καρδιά αναπτύσσεται με πνεύμονα και παρέχει ευεργετικούς παράγοντες, ο πνεύμονας θα ωριμάσει καλύτερα και γρηγορότερα. Επί του παρόντος, εμείς μελετούν τους υποκείμενους μοριακούς μηχανισμούς αυτού του ενδιαφέροντος φαινομένου”.