Механическое напряжение, создаваемое бьющимся сердцем эмбриона, находящегося в утробе матери, играет ключевую роль в формировании клеток крови и всей кровеносной системы нового организма, выяснили ученые. Это открытие может использоваться в лечении ряда тяжелых заболеваний кровеносной системы ( лейкемия, иммунодефицит и серповидно-клеточная анемия ) считают авторы двух исследований.

Сегодня пациенты с подобными заболеваниями, не имеющие подходящего донора, нуждаются в пересадке костного мозга или переливании пуповинной крови новорожденных младенцев, содержащей свежие стволовые клетки крови.

В своих исследованиях ученые впервые выявили ключевые механизмы, играющие роль в формировании новых клеток крови и кровеносной системы из стволовых и показали, что критически важным для этих процессов является наличие биомеханического напряжения на клетки, создаваемого бьющимся сердцем.

Эти работы объясняют факт, долгое время заводивший ученых в тупик - почему сердце эмбрионов, как у людей, так и у животных, начинает биться на очень ранних стадиях, задолго до того, как новый организм начинает нуждаться в собственном транспорте крови. По мнению авторов, их работа может привести к созданию нового типа лекарств для лечения тяжелых заболеваний крови, которые будут симулировать в организме или в пробирке условия, необходимые для создания нужных пациенту типов клеток крови.

Группа доктора Леонарда Зона из Бостонского детского госпиталя провела свою работу на эмбрионах популярной лабораторной рыбки данио рерио, чьи эмбрионы практически полностью прозрачны, а потому очень удобны для исследований. Зон и его коллеги обнаружили, что химические соединения, регулирующие поток крови в организме, в значительной степени влияют на работу гена Runx1, играющего решающую роль в формировании стволовых клеток крови, из которых впоследствии образуются все формирующие новую кровеносную систему клетки.

В своей работе ученые их Бостона использовали клонированные эмбрионы рыбок, сердцебиение которых было сильно замедленно с помощью искусственно введенных генетических мутаций. Замедленная циркуляция крови в этих эмбрионах привела к значительно меньшему количеству новых стволовых клеток. В ходе дальнейшей работы ученые выяснили, что решающую роль в производстве новых стволовых клеток крови играет наличие в крови молекул оксида азота NO.

Эта простая молекула является одной наиболее важных сигнальных молекул, вырабатываемых различными клетками организма, используемых организмом в том числе и для стимуляции гладких клеток стенок кровеносных сосудов, что приводит к их расширению. Оказалось, что дополнительные количества оксида азота, введенные в растущие мутантные эмбрионы, приводят к тому, что количество стволовых клеток в таких зародышах полностью восстанавливается до нормального уровня.

Этот механизм формирования стволовых клеток оказался справедливым и для других видов животных - мышей.

Группа Джорджа Дэли, также работающего в Бостонском детском госпитале, начала свое исследование после обнаружения клеток-предшественников крови в стенках аорты, формирующейся вскоре после того, как у эмбриона начинает биться сердце. В своей работе с эмбриональными стволовыми клетками мышей Дэли и его коллеги изучали эффекты от механического стимулирования зародышевых стволовых клеток на формирование новых клеток крови.

Ученые показали, что касательное напряжение, создаваемое потоком жидкости текущей над поверхностью клеток, выстилающих зародышевую аорту, увеличивает синтез ключевых белковых молекул, необходимых для формирования клеток крови, в том числе и Runx1. Это же напряжение, как оказалось, приводит и к образованию клеток-предшественниц, из которых в последствии образуются специфические клетки крови - красные кровяные клетки, лимфоциты и другие.

Группа Дэли также исследовала влияние сердцебиения на образование клеток крови, создав клоны эмбрионов мышей, сердце которых было полностью лишено способности биться. Формирование клеток предшественниц в таких эмбрионах, а также синтез белков, присущих стволовым клеткам крови, были сильно замедлены. Практически полностью его восстановить позволило касательное напряжение, приложенное к клеткам эмбрионов, после того, как они были извлечены и помещены в специальную лабораторную посуду.

Наконец, в случае блокирования синтеза молекул оксида азота в таких клетках даже касательное напряжение не позволяло добиться нормального уровня клеток-предшественниц и стволовых клеток крови.