Ранние сердечные сокращения запускают сигналы, формирующие развитие сердца

Исследователи из Института Фрэнсиса Крика обнаружили, что собственные сокращения сердца запускают биологические сигналы, которые направляют формирование функционального бьющегося сердца.

Их исследование на рыбках данио подчеркивает способность сердца к ремоделированию и адаптации к физиологическим потребностям, а также может выявить, что идет не так при врожденных пороках сердца.

Сердце — один из первых формирующихся органов, чтобы снабжать развивающийся эмбрион кислородом и питательными веществами. Однако то, как сердце превращается из простой трубки в сложный трехмерный насос, до конца не изучено.

В рамках исследования, опубликованного в Developmental Cell, команда проследила раннее развитие мышечных структур сердца — трабекул — у рыбок данио. Сердца данио имеют ключевые структурные и генетические черты с человеческим сердцем, но обладают преимуществом прозрачности, что позволяет наблюдать за ростом сердца в реальном времени в мельчайших деталях.

Команда использовала 4D-визуализацию живых сердец данио для изучения биологических процессов в разных масштабах — от поведения отдельных клеток до изменений формы и размера органа.

Они наблюдали, что трабекулы растут и развиваются не за счет деления клеток, как считалось ранее. Вместо этого соседние клетки рекрутируются для построения сложной структуры трабекул, увеличивая мышечную массу сердца и его сократительную эффективность.

Задание правильного темпа

Команда также обнаружила механизм обратной связи между сокращением сердца и его собственным развитием. По мере развития трабекул и усиления сердечных сокращений запускается механический сигнал, который делает клетки «мягче», позволяя им растягиваться и увеличиваться в размере. Это позволяет сердцу увеличить свой объем на 90% и максимизировать способность к наполнению кровью.

Ключевым моментом является то, что эта система обратной связи задает здоровый темп роста, поскольку по мере растяжения сердечные клетки теряют способность к рекрутированию, тем самым стабилизируя рост трабекул.

Тоби Эндрюс, научный сотрудник и первый автор исследования, сказал: «Сердцебиение — синоним жизни, и хотя мы веками наблюдали его структуру, как оно вырастает до нужной формы и размера, все еще остается загадкой. Мы обнаруживаем, что структура сердца не является жестко запрограммированной; вместо этого она разумно адаптируется к изменениям в физиологии животного. Понимание биологии, лежащей в основе этой гибкости, может стать основой для будущих методов лечения сердечных заболеваний».

Теперь команда планирует глубже изучить развитие трабекул, поскольку они превращаются во все более сложную губчатую 3D-сеть мышечных гребней. Они надеются выяснить, как трабекулярные гребни регулируют кровоток и какие клеточные процессы и молекулярные механизмы формируют эти сложные структуры.

Рашми Прия, руководитель лаборатории морфодинамики органов в Крике, сказала: «Хотя мы добились прогресса в понимании молекулярных путей, вовлеченных в сердечные заболевания или "кардиомиопатии", мы все еще мало знаем о том, как формируются трабекулы и как дефекты в этих структурах влияют на функцию сердца. Это подчеркивает важность изучения механизмов развития, которые формируют эти структуры и создают один из самых эффективных насосов природы — сердце».