Nature | 哈佛大学研究发现每个心脏细胞都可以自己跳动！

2023-09-29 00:09

科学家们首次目睹了斑马鱼胚胎心脏细胞开始一致跳动的时刻。研究人员使用先进的光学电生理学工具来观察斑马鱼心脏发育的最初几次跳动，并评估潜在的电兴奋性和连接模式。他们发现，心脏细胞突然开始跳动，而且每个心脏细胞都有能力在没有起搏器的情况下自己跳动。

研究摘要：

从少数细胞变成一个成熟的有机体，拥有完整的功能组织和器官，这是一个混乱但高度同步的过程，需要细胞以精确的方式组织自己，并开始协同工作。

这个过程在心脏中尤为显著，静止的细胞必须开始完全一致地跳动。

现在，由哈佛医学院和哈佛大学的研究人员领导的一项跨学院合作，让人们得以一窥心脏细胞是如何开始跳动的。

在对斑马鱼进行的一项研究中，研究小组发现，随着钙水平和电信号的增加，心脏细胞突然开始跳动。此外，研究人员发现，每个心脏细胞都有自己跳动的能力，没有起搏器，心跳可以从不同的地方开始。研究结果发表在9月27日的《自然》杂志上。

“人们非常重视心脏跳动，很长一段时间以来它一直是研究的焦点，但这是我们第一次能够以如此高的分辨率深入研究它，”共同资深作者Sean Megason说，他是HMS布拉瓦尼克研究所系统生物学教授。

对于好奇心旺盛的生物学家来说，了解心跳的基本机制可能本身就很有趣，但对于理解在调节心跳的心脏系统发育不正常或开始出现故障的情况下发生了什么，这也至关重要。

哈佛大学化学生物学和物理学教授Adam Cohen是资深作者之一，他说:“在一个典型的人的一生中，心脏跳动约30亿次，它绝不能休息。我们想看看这台不可思议的机器是如何启动的。”

直击心脏

研究人员并没有开始研究心脏是如何开始跳动的。相反，他们正在寻找一个科学问题，将Cohen实验室在电活动成像方面的专业知识与Megason实验室对研究发育中的斑马鱼细胞如何学习交流和合作的兴趣结合起来。

他们的研究方向直指心脏。

研究人员意识到，尽管对心脏发育的研究已经进行了数千年，一直追溯到亚里士多德对小鸡的观察，但心脏细胞如何开始跳动的细节仍然是一个谜，而他们有可能解开这个谜。

“我们想回答一个基本问题：心脏细胞是如何从沉默到跳动的?”Megason解释道。“当你的心脏开始跳动是一生一次的事件，但它是如何发生的并不明显。”

研究人员指出，这是一项探索性研究，所以他们不知道会发现什么。他们推测，也许会有一些细胞开始跳动，跳动的区域会慢慢扩大，或者心脏的不同部分会开始独立跳动并最终合并，或者心脏开始时跳动微弱，随着时间的推移会增强。

事实证明，答案都不是。

利用荧光蛋白和高速显微镜成像技术，研究人员捕捉到了斑马鱼胚胎发育过程中心脏细胞钙含量和电活动的变化。令他们惊讶的是，他们发现所有的心脏细胞突然从不跳动转变为跳动——其特征是钙和电信号同时飙升，并立即开始同步跳动。

“就像有人打开了开关，”Cohen说。

进一步的实验表明，每次心跳时，心脏的一个区域首先启动放电，引发一波电流，迅速流过其余的细胞，促使它们启动。

有趣的是，不同斑马鱼的心跳从不同的位置开始，这表明先放电的细胞并没有什么独特之处。这一发现是违反直觉的，因为成人心脏中的细胞表现不同。

该研究的主要作者Bill Jia是Cohen和Megason实验室的一名联合研究生，他说:“成人心脏是由一群特殊的起搏器细胞驱动心跳的，而胚胎心脏中的大多数细胞都有自己跳动的能力，因此很难预测第一次跳动的位置。”

因为心脏细胞是瞬间开始跳动的，所以它们必须在第一次心跳之前就能感知到周围细胞的跳动——Megason把这比作一支军队在没有事先练习的情况下就必须开始同步前进。

“心脏首先学会如何在没有时钟的情况下保持步调，单个细胞首先学会合作，而不是在各自的角色上达成一致，心跳规律是非常重要的，但在生命之初，它的组织速度非常快，看起来完全是一团糟。”

发育中的斑马鱼为研究心脏提供了一个方便的模型，因为它们是透明的，生长迅速——在24小时内就能形成心跳——并且可以以12只为单位进行成像。然而，Megason认为，同样的发育过程可能在包括人类在内的所有物种中都是保守的。

研究小组指出，这一发现为更多地了解物种间心跳的发展打开了大门，并可能有一天阐明心律失常等心脏不规则性是如何在人类中产生的。

“通过观察心脏是如何发育的，我们可以看到不同的控制机制是如何分层的，这可能会告诉我们如果它们崩溃会发生什么，”Megason说。

参考文献：A bioelectrical phase transition patterns the first vertebrate heartbeats

来源：生物通

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