Stawanie się pełnoprawnym organizmem z garstki komórek, wraz z funkcjonującymi tkankami i narządami, to chaotyczny, ale wysoce zsynchronizowany proces, który wymaga precyzyjnej organizacji. Naukowcy z Harvard Medical School (HMS) po raz pierwszy w historii zobaczyli, jak w wąskim oknie, około 20 godzin rozwoju ryby znanej jako danio pręgowany, komórki serca zaczynają bić jako jeden organ. Dzieje się to nagle i jednocześnie, jakby do rytmu niewidzialnego metronomu.
Czytaj też: Scena jak z horroru. Kobieta po 16 latach zobaczyła własne serce
Badanie podstawowej biologii bicia serca może pomóc naukowcom zrozumieć zaburzenia rytmu serca u ludzi. Szczegóły opisano w czasopiśmie Nature.
Prof. Sean Megason z Instytutu Blavatnik w HMS mówi:
Ludzie przywiązują taką wagę do bicia serca, że od dawna stanowi centralny punkt badań, ale po raz pierwszy mogliśmy przyjrzeć się temu dogłębnie z tak dużą rozdzielczością.
Serce zaczyna bić nagle, ale komórki przygotowują się do tego wcześniej
Serce bije około 3 miliardy razy w ciągu typowego życia człowieka i nigdy nie ma przerwy. Pomimo tysiącleci badań nad rozwijającym się sercem, sięgających aż do obserwacji Arystotelesa u kurcząt, szczegóły dotyczące tego, jak komórki serca zaczynają bić, wciąż pozostają tajemnicą. Uczeni z HMS postanowili sprawdzić, jak włącza się ta niesamowita maszyneria.
Czytaj też: Komórki macierzyste naprawią uszkodzone serce. Oto przełom na miarę osiągnięcia Profesora Religi
Wykorzystując białka fluorescencyjne i obrazowanie za pomocą szybkiego mikroskopu, naukowcy uchwycili zmiany w poziomie wapnia i aktywności elektrycznej w komórkach serca rozwijających się zarodków danio pręgowanego. Ku ich zaskoczeniu odkryli, że wszystkie komórki serca nagle przeszły od niebicia do bicia – charakteryzujące się jednoczesnymi skokami poziomu wapnia i sygnałów elektrycznych – i natychmiast zaczęły bić synchronicznie. To wyglądało tak, jakby “ktoś nagle włączył przełącznik”.
Z wcześniejszych badań wynika, że pierwsze uderzenie serca następuje jeszcze zanim uformuje się pierwsza struktura serca, czyli prymitywna rurka. Pierwsze oznaki aktywności występują w populacjach komórek mięśnia sercowego, zwanych kardiomiocytami, które są wypełnione jonami wapnia, ale nie w żaden zorganizowany sposób. W dojrzałym sercu jony wapnia przedostają się do i z kardiomiocytów, generując potencjały czynnościowe (skoki aktywności elektrycznej), które powodują skurcze serca.
Powolne, rzadkie fale wapniowe stawały się większe i częstsze, w miarę jak rozwijające się kardiomiocyty gromadziły się w kształt pierścienia w linii środkowej zarodków danio pręgowanego. Potem nagle poziom wapnia wzrósł, a komórki serca wyzwoliły impulsy aktywności elektrycznej, które ogarnęły tkankę.
Kilka pierwszych uderzeń serca było trochę nieregularnych, ale wkrótce przeszły w zsynchronizowane skurcze. Rytm o strukturze przestrzennej pojawia się na długo przed połączeniem z układem krążenia i pompowaniem krwi. Co więcej, uczeni odkryli, że kardiomiocyty danio pręgowanego weszły w stan pobudliwości na ok. 90 minut przed pierwszym uderzeniem serca, jakby przygotowywały się do działania.
Co ciekawe, uderzenia serca u różnych ryb rozpoczynały się w różnych miejscach, co sugeruje, że nie ma nic wyjątkowego w komórkach, które uruchamiają się jako pierwsze. Odkrycie to było sprzeczne z intuicją, ponieważ komórki w sercach dorosłych zachowują się inaczej.
Czytaj też: “Hormon miłości” naprawi ci serce. Oksytocyna znowu zaskakuje
Dr Bill Jia z HMS wyjaśnia:
W przeciwieństwie do serca dorosłego, gdzie bicie serca napędza wyspecjalizowana populacja komórek rozrusznika, większość komórek serca embrionalnego ma zdolność do samodzielnego bicia, co utrudnia przewidzenie lokalizacji pierwszych uderzeń.
Biorąc pod uwagę podobieństwa między embrionami danio pręgowanego a zarodkami piskląt, szczurów i myszy, naukowcy uważają, że podstawowe mechanizmy powstawania serca mogą być wspólne u kręgowców. Nowe odkrycia otwierają drzwi do większej wiedzy na temat rozwoju bicia serca u różnych gatunków i może pewnego dnia wyjaśnić, w jaki sposób u ludzi powstają nieprawidłowości pracy serca, takie jak arytmie.