Сердце начинает работать еще до того, как полностью сформируется
Количество сокращений сердечной мышцы человека в течение всей его жизни составляет примерно 2,5 миллиарда. О том, когда сердце сокращается в последний раз, узнать не так сложно, медики делают это очень часто, к сожалению. Но когда сердце человека начинает биться? Об этом известно не так уж и много.
Сейчас ученые решили отследить формирование сердца, начиная с ранних стадий развития эмбриона. Результаты своих исследований специалисты опубликовали в научном журнале eLIFE. Исследование, считают участники проекта, будет иметь важное значение для развития регенеративной медицины, а также поможет понять, как можно вырастить сердце в лабораторных условиях.
Сердце формируется в организме эмбриона первым. Этот орган уже на первых этапах развития зародыша начинает работать, отправляя кислород и питательные элементы по всему организму растущего организма. У мышей, например, сердце появляется уже через неделю после зачатия. Это еще не полноценный орган, а набор клеток, которые постепенно развиваются из стволовых клеток, формируя сердце. Спустя еще сутки у эмбриона мыши появляется вполне узнаваемое сердце, которое начинает работать на благо всего организма.
Изначально считалось, что сердцебиение начинается сразу после формирования сердечной трубки. Но, как оказалось, это не так. Ткани будущего «кровяного насоса» проявляют активность при появлении первых кардиомицитов — клеток сердца, которые еще не сформировали полноценный орган.
Сначала кардиомициты работают вразнобой, синхронное сокращение начинается после того, как отдельные клетки объединяются в полноценную ткань сердечной мышцы. Сокращение кардиомицитов осуществляется за счет перехода ионов кальция через клеточную мембрану. Первые сокращения можно наблюдать уже через 12 часов после зачатия. Эмбрионы мышей развиваются очень быстро, гораздо быстрее эмбрионов человека. 12-й час развития плода мыши соответствует 20-му дню эмбриона человека. К этому времени (20-му дню) зародыш человека уже имеет червеобразную форму, у него пока нет ни рук, ни ног, ни головы. Правда, мозг уже начинает формироваться. И вот в это время начинают работать кардиомициты.
При увеличении концентрации кальция в кардиомиците клетка сокращается, при снижении — расслабляется. Система таких клеток и представляет собой синхронно сокращающуюся сердечную мышцу. Для того, чтобы отследить первые сокращения кардиомицитов, ученые вели постоянное наблюдение за эмбрионами мышей. Контрольное действие — повышение уровня кальция, что должно было приводить к сокращению клеток сердца. На ранних стадиях этот ключевой механизм работы сердца отсутствует — кальций почти никак не влияет на клетки.
Для того, чтобы уловить проявление первых очагов активности кардиомицетов, специалисты впрыснули флуоресцирующий раствор кальция. Как только это было сделано, сразу стало возможным наблюдать за работой кардиомицитов, как отдельных клеток, так и всей их совокупности.
«Мы были удивлены тем фактом, что клетки изменяют концентрацию кальция внутри себя даже прежде, чем начинает работать «кальциевый» механизм сокращения самих клеток. Можно было бы ожидать, что механизм сокращения клеток формируется первым, после чего все это начинает работать под воздействием кальция, но нет, прежде проявляется система циркуляции ионов кальция», — говорит Шанкар Сринивас, профессор биологии из Оксфордского университета.
Цикл изменения концентрации ионов кальция нужен организму не просто так. Похоже, что наличие кальциевого цикла важно даже для самого процесса формирования сердца. При блокировании поступления кальция в кардиомициты при помощи специальных препаратов ученые наблюдали отсутствие процесса образования полноценных клеток сердечной мышцы.
Это открытие проливает свет на самое начало формирования различных органов эмбриона. Как мы видим, в некоторых случаях для формирования того либо иного органа необходимо молекулярное воздействие особых соединений или элементов.
В случае с формированием сердца «кальциевый цикл» начинает работать в различных местах будущего сердца. Но через несколько часов (в случае наблюдения за эмбрионом мыши) начинается уже синхронная работа. Кардиомициты постепенно «учатся» работать синохронно, начинают пульсировать, и эта пульсация становится уже заметной. Ученые еще продолжают исследования в этом направлении, для того, чтобы лучше понимать механизм формирования тканей сердца. Возможно, это поможет выращивать если не целые сердца, то сердечную ткань в лаборатоорных условиях. Кроме того, результаты наблюдений могут оказаться полезными для изучения болезней сердца.
«Одна из главных проблем регенеративной медицины — разработка механизма, способного заставить биться клетки сердечной мышцы синхронно. Если мы будем лучше понимать этот механизм, изучив его в процессе формирования, то мы сможем создавать ткани с синохронной работой», — считают участники исследования.
DOI: http://dx.doi.org/10.7554/eLife.17113
