Новое исследование зафиксировало момент, когда сердце начинает биться в эмбрионе животного

Ученые запечатлели мимолетный момент, когда сердце начинает биться, и этот подвиг становится еще более примечательным, если учесть относительную краткость жизни рыбок данио. Новое исследование было опубликовано в журнале Nature.

Примерно через 20 часов после начала развития рыбок данио развивающиеся сердца эмбрионов начали действовать, возникнув как единое целое из ансамбля одиночных клеток.

«Это было похоже на то, как будто кто-то щелкнул выключателем», — говорит биофизик Гарвардского университета Адам Коэн, старший автор нового исследования, в котором были изображены эмбрионы рыбок данио, помещенные в специально изготовленные агарозные формы, чтобы запечатлеть это уникальное событие.

Используя высокоскоростную микроскопическую визуализацию, исследователи Гарвардского университета опирались на многолетние исследования первых сердечных сокращений у кур, крыс и мышей, чтобы заглянуть в эмбрионы рыбок данио, возраст которых составляет несколько часов, и определить момент, когда клетки сердца начинают биться.

Из прошлых исследований стало ясно, что первое сердцебиение происходит еще до того, как сформируется первая структура сердца — примитивная трубка. Первые признаки активности наблюдаются в популяциях клеток сердечной мышцы, называемых кардиомиоцитами, которые, как обнаружили ученые, переполнены ионами кальция, но не каким-либо организованным образом.

В зрелом сердце ионы кальция проникают в кардиомиоциты и выходят из них, генерируя потенциалы действия (всплески электрической активности), которые вызывают сердечные сокращения.

Ведущий исследователь Билл Цзя вместе с Коэном и командой продолжили предыдущую работу, измеряя, как волны ионов кальция организуются и распространяются в развивающихся эмбрионах рыбок данио, вызывая первый единый пульс сердца.

«Сердце бьется около 3 миллиардов раз за обычную человеческую жизнь, и оно никогда не должно отдыхать», — говорит Коэн. «Мы хотели увидеть, как эта невероятная машина впервые включается».

Медленные, редкие волны кальция становились больше и чаще по мере того, как развивающиеся кардиомиоциты собирались в кольцевую форму на средней линии эмбрионов рыбок данио. Затем внезапно уровень кальция резко возрос, и клетки сердца выпустили всплески электрической активности, охватившие ткани.

Первые несколько ударов сердца были немного нерегулярными, но вскоре превратились в синхронизированные сокращения. «Ритмичный, пространственно структурированный ритм возникает задолго до подключения к системе кровообращения и перекачиванию крови», — заметили исследователи.

Более того, ученые заметили, как клетки сердца рыбок данио перешли в возбудимое состояние примерно за 90 минут до первого сердцебиения, как будто готовясь к действию.

Интересно, что волны ионов кальция, предшествующие первому сердечному сокращению, не всегда возникают в одном и том же месте у разных эмбрионов рыбок данио, что позволяет предположить, что нет ничего уникального в клетках, которые активируются первыми.

Так называемый локус инициации чаще всего возникал в центральной области сердечного кольца, а не на его внешних краях, где располагаются пейсмекерные клетки, которые поддерживают тикание сердца у взрослых.

Цзя и остальные авторы исследования полагают, что ранняя активность клеток сердца, еще до первого сокращения, может стимулировать развитие сердечно-сосудистой системы.

А учитывая сходство между рыбками данио и куриными, крысиными и мышиными эмбрионами, исследователи полагают, что основные механизмы формирования сердца могут быть общими для всех позвоночных – той группы животных с позвоночником, в которую входят и мы, люди.

Если это так, исследование может привести к дальнейшим исследованиям, посвященным тому, как у людей возникают нарушения сердечной деятельности, такие как аритмии.

«Глядя на то, как развивается сердце, — объясняет системный биолог Шон Мегасон из Гарвардской медицинской школы, — мы можем увидеть, как наслаиваются различные механизмы контроля, что может рассказать нам кое-что о том, что произойдет, если они сломаются».