Эмбрионы рыбок данио раскрывают ключевые механизмы развития сердечного ритма

Сердцебиение — синоним жизни. Это одна из первых жизненно важных функций, которая начинается во время развития и заканчивается со смертью.

«Сердце — один из первых органов, который формируется и начинает функционировать в процессе развития», — объясняет Рашми Прия, руководитель лаборатории морфодинамики органов в Институте Фрэнсиса Крика. По мере роста эмбриона сердце продолжает развиваться, превращаясь из простой трубчатой структуры в сложный трёхмерный насос.

В новом исследовании, опубликованном в журнале Developmental Cell, учёные из лаборатории Прии изучили конкретную стадию этого развития — рост мышечных гребней, называемых трабекулами.

«В ходе раннего развития внутренняя поверхность сердца формирует сложную сеть этих трабекул. Эти структуры должны образоваться в нужном количестве, чтобы обеспечить правильную работу сердца. Дефекты формирования трабекул связаны с несколькими заболеваниями сердца, называемыми кардиомиопатиями», — описывает ведущий автор исследования, постдок Тоби Эндрюс.

Их работа показала, что формирование трабекул обусловлено обратной связью между сердцебиениями и изменениями формы клеток.

Прозрачная модель

Чтобы наблюдать за развитием сердца в реальном времени, команда использовала рыбок данио из аквариального комплекса Института Крика.

«Сердца данио очень похожи на наши по структуре и функции, но их небольшой размер и прозрачность позволяют использовать визуализацию в реальном времени, чтобы наблюдать, как процессы развития разворачиваются прямо в бьющемся сердце эмбриона — в данном случае, как движения и изменения формы отдельных клеток строят функционирующий орган», — объясняет Эндрюс.

Используя мощные микроскопы и генетические инструменты, они обнаружили, что трабекулярные гребни растут не за счёт деления клеток, как считалось ранее, а за счёт перемещения и перестройки уже существующих клеток.

Они также выяснили, что сердце растёт, растягивая свои существующие клетки, почти удваиваясь в размере, что позволяет увеличить объём сердца на 90% и максимизировать его способность наполняться кровью.

Задание правильного темпа

С помощью компьютерных моделей команда обнаружила систему обратной связи, в которой сердцебиение и химические сигналы работают вместе, контролируя плотность этих трабекулярных гребней, обеспечивая правильное развитие сердца для его нормального функционирования.

По мере развития трабекул и усиления сокращений сердца возникает механический сигнал, который делает клетки «мягче», позволяя им растягиваться и увеличиваться в размере. Эта система обратной связи задаёт здоровый темп роста, потому что по мере растяжения клетки сердца теряют способность к рекрутированию, стабилизируя рост трабекул.

Прия описывает эту систему как «самоорганизующуюся и интеллектуальную», где сердце само регулирует своё развитие в нужное время, чтобы удовлетворить физиологические потребности организма.

«Структура сердца не перестаёт меняться при рождении и продолжает ремоделироваться на протяжении всей жизни», — добавляет Эндрюс. «Наши сердца адаптируют свою форму и функцию к различным физиологическим вызовам, и лучшее понимание биологии, лежащей в основе этой гибкости, может стать основой для будущих методов лечения сердечных заболеваний».

Прия поясняет: «Несмотря на значительный прогресс в понимании молекулярных путей, лежащих в основе кардиомиопатий, у нас всё ещё нет чёткой картины того, как формируются трабекулы и как нарушения в их архитектуре влияют на функцию сердца. Вот почему так важно раскрыть основные программы развития, которые формируют эти гребни, чтобы сердце могло функционировать и поддерживать жизнь».