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從少數(shù)幾個細胞發(fā)展成為一個完整的生物體，并擁有功能完備的組織和器官，是一個雜亂無章但又高度同步的過程，需要細胞以精確的方式組織起來，并開始協(xié)同工作。這一過程在心臟中尤為顯著，在那里靜止的細胞必須開始完全一致地跳動。
如今，在一項新的研究中，來自美國哈佛醫(yī)學(xué)院和哈佛大學(xué)的研究人員讓人們得以一窺心臟細胞是如何開始跳動的。在對斑馬魚進行的研究中，他們發(fā)現(xiàn)，隨著鈣含量和電信號的增加，心臟細胞會突然同時開始跳動。此外，他們還發(fā)現(xiàn)，每個心臟細胞都有自行跳動的能力，不需要起搏細胞（pacemaker cell），而且心跳可以從不同的地方開始。相關(guān)研究結(jié)果發(fā)表在2023年10月5日的Nature期刊上，論文標題為“A bioelectrical phase transition patterns the first vertebrate heartbeats”。
論文共同通訊作者、哈佛醫(yī)學(xué)院布拉瓦特尼克研究所系統(tǒng)生物學(xué)教授Sean Megason說，“人們?nèi)绱酥匾曅呐K的跳動，以至于它長期以來一直是研究的焦點，但這是我們第一次能夠以如此高的分辨率深入研究它。”
對于好奇心旺盛的生物學(xué)家來說，了解心跳的基本機制可能本身就很有趣，但這對于了解在調(diào)節(jié)心跳的心臟系統(tǒng)發(fā)育不正?；蜷_始失靈的情況下發(fā)生了什么也至關(guān)重要。
論文共同通訊作者、哈佛大學(xué)化學(xué)與化學(xué)生物學(xué)教授和物理學(xué)教授Adam Cohen說，“在人的一生中，心臟大約要跳動 30 億次，而且絕不能休息。我們想看看這臺不可思議的機器是如何首次開啟的?！?/p>
直擊心臟
這些作者并不是要研究心臟是如何開始跳動的。相反，他們正在尋找一個科學(xué)問題，將Cohen實驗室在電活動成像方面的專長與Megason實驗室在研究發(fā)育中的斑馬魚細胞如何學(xué)會交流與合作方面的興趣結(jié)合起來。
他們的研究方向直指心臟。他們意識到，盡管從亞里士多德對小雞的觀察開始，對發(fā)育中的心臟進行了數(shù)千年的研究，但心臟細胞如何開始跳動的細節(jié)仍然是一個謎，而他們有可能解開這個謎。
Megason解釋道，“我們想回答一個基本問題：心臟細胞是如何從靜止到跳動的？心臟開始跳動是千載難逢的事件，但它是如何發(fā)生的并不明顯。”
這些作者指出，這是一項探索性研究，因此他們不知道會發(fā)現(xiàn)什么。他們推測，也許是幾個細胞開始跳動，跳動區(qū)域慢慢擴大；也許是心臟的不同部分開始獨立跳動，最終合并；也許是心臟開始時跳動微弱，隨著時間的推移逐漸增強。結(jié)果發(fā)現(xiàn)，答案都不是。
這些作者利用熒光蛋白和高速顯微鏡成像技術(shù)，捕捉了正在發(fā)育的斑馬魚胚胎心臟細胞中鈣含量和電活動的變化。他們驚奇地發(fā)現(xiàn)，所有心臟細胞突然從沒有跳動過渡到跳動，表現(xiàn)為鈣離子和電信號同時出現(xiàn)尖峰，并立即開始同步跳動。Cohen描述說，“就像有人打開了開關(guān)一樣?！?/p>
鈣動力學(xué)與發(fā)育中的心肌細胞的遺傳標記共定位。圖片來自Nature, 2023, doi:10.1038/s41586-023-06561-z。
進一步的實驗表明，每次心跳時，心臟的一個區(qū)域首先放電，引發(fā)一股電流，這股電流迅速流過其他細胞，促使它們放電。
有趣的是，不同斑馬魚的心跳是從不同的點開始的，這表明最先放電的心臟細胞并不獨特。這一發(fā)現(xiàn)與直覺相反，因為成體心臟中的細胞表現(xiàn)不同。
論文第一作者、Cohen實驗室和Megason實驗室聯(lián)合研究生Bill Jia說，“與成體心臟不同，成體心臟由一群專門的起搏細胞驅(qū)動心跳，而胚胎心臟中的大多數(shù)細胞都有自行跳動的能力，因此很難預(yù)測第一次跳動的位置?！?br/>由于心臟細胞是在瞬間開始跳動的，因此它們必須在第一次心跳之前就發(fā)展出跳動和感知鄰近細胞跳動的能力--- Megason把這比作一支軍隊在沒有練習(xí)之前就必須開始同步行軍。
Jia補充說，“心臟首先要學(xué)會如何在沒有時鐘的情況下保持步調(diào)一致，心臟細胞首先要學(xué)會合作，而不需要就各自的作用達成一致。心臟跳動有規(guī)律非常重要，但在生命之初，它很快就從看似一團糟的狀態(tài)組織起來了。”
發(fā)育中的斑馬魚為研究心臟提供了一種方便的模型，因為它們透明、生長迅速---只需 24 小時就能產(chǎn)生心跳，而且可以通過十幾個攝像頭進行成像。不過，Megason認為，相同的發(fā)育過程可能在包括人類在內(nèi)的不同物種中是一致的。
這些作者指出，這一發(fā)現(xiàn)為進一步了解不同物種的心跳發(fā)育過程打開了一扇大門，或許有一天能揭示人類心律失常等心律不齊是如何產(chǎn)生的。
Megason說，“通過觀察心臟的發(fā)育過程，我們可以看到不同的控制機制是如何分層的，這可能會告訴我們?nèi)绻@些機制崩潰會發(fā)生什么?！?/p>
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