Клетки развивающегося сердца синхронизируются, чтобы запустить сердцебиение

Регулярное сердцебиение необходимо для жизни позвоночных животных. В зрелом сердце эта функция обеспечивается анатомически локализованным ритмоводителем (пейсмейкером). В развивающемся сердце эмбриона, напротив, биения отдельных клеток сердца не скоординированы между собой. Какой механизм обеспечивает их синхронность при первом биении сердца? На этот вопрос ответили ученые из США, исследовав электрические события в запускающемся сердце Danio rerio.

Ученые попытались зафиксировать первое сердцебиение в ходе развития эмбрионов D. rerio при помощи кальциевого имаджинга. Они сосредоточились на периоде с 18 до 22 часов после оплодотворения — в этот промежуток популяции клеток-предшественников сердца объединяются, формируя сердечный конус. Кроме того, на соответствующей стадии развития в эмбрионах кур, крыс и мышей были зарегистрированы ранние сердцебиения.

Сердце каждого эмбриона D. rerio демонстрировало резкий переход от состояния покоя к кальциевым пикам, причем это происходило в узком интервале развития — 20,3±0,4 часов после оплодотворения. Такие кальциевые ритмы наблюдались еще до обнаружения первых механических сокращений, которые появлялись через 21–22 часа после оплодотворения. Видеозапись первых сокращений эмбрионального сердца, происходящих при синхронном выбросе кальция, доступна в сопроводительном материале к статье (Supplementary Video 4). Первым сердцебиением авторы исследования назвали первый крупномасштабный кальциевый переход.

Исследователи также проверили, задействует ли первый удар сердца всю ткань или ограничивается отдельными популяциями клеток. Перед первым сердечным сокращением они наблюдали единичные всплески активности кальция. Эти события происходили достаточно редко (с частотой 0,2–0,7 в минуту), длились долго (3,40±2,09 с), не имели резкого пика и не были синхронизированы между клетками — все это качественно отличало их от первых ударов сердца. Первое сердцебиение при этом затрагивало большую часть развивающегося сердца.

В течение часа после первого сердцебиения средняя амплитуда пиков увеличивалась незначительно (в среднем на 22%), а их ширина незначительно (на 24%) уменьшалась. Авторы заключают, что инициация сердечного сокращения — ступенчатый переход от редких и медленных проявлений активности отдельных клеток к резким пикам, которые масштабно охватывали ткань сердца и оставались относительно стабильными в течение последующего часа развития.

Первые несколько сердцебиений были нечастыми и неравномерно распределенными во времени. По мере развития сердца интервал между пиками становился короче и равномернее. Частота сердечных сокращений увеличилась: если в первые 10 минут после запуска она составляла 7,1±3,3 ударов в минуту (уд/мин), то спустя 120 минут достигала 29,6±7,9 уд/мин.

По полученным данным авторы построили математическую модель и пришли к выводу, что ранние кальциевые переходные процессы возникали в результате пересечения порога возбуждения с последующим усилением положительной обратной связи. Сам порог и положительная обратная связь могли быть обусловлены как потенциалзависимыми ионными каналами, например кальциевыми, так и потенциалнезависимыми внутриклеточными механизмами, например кальцийзависимым выбросом кальция. Чтобы установить, какой из этих вариантов объяснял наблюдаемые процессы, исследователи использовали трансгенную линию D. rerio, коэкспрессирующую кальциевый сенсор и индикатор потенциала Voltron1 в зачатке сердца.

Опыты на трансгенных D. rerio выявили равномерное соотношение между пиками мембранного потенциала и кальция. И мембранный потенциал, и Са²⁺ распространялись по ткани в виде когерентных волн, причем Са²⁺ отставал от мембранного потенциала в пространстве. Таким образом, первые несколько ударов состояли из электрических потенциалов действия и сопутствующего кальциевого тока. Исходя из того, что кальциевые пики отставали от деполяризации, ученые решили исследовать роль потенциалзависимых кальциевых каналов в регуляции ранней динамики сердцебиения. Проведенные опыты показали, что движущей силой сокращений служат активируемые деполяризацией кальциевые токи, причем ключевую роль играет кальциевый канал Ca_V1.2.

Ещё одним важным обнаружением стало изменение возбудимости развивающегося сердца. С помощью оптогенетических методов исследователи установили, что клетки сердца эмбрионов D. rerio становятся электрически возбудимыми за 90 минут до первых спонтанных сокращений.

Способность к спонтанной активности широко распространена в эмбриональных кардиомиоцитах; в процессе развития она постепенно локализуется в клетках пейсмекерных участков. Авторы работы картировали спонтанные сердечные сокращения, визуализировав их с помощью кальциевого сенсора. Они установили, что локус инициации ранних сердечных сокращений располагается преимущественно в миокарде будущего желудочка. По локализации он отличается от клеток, которые в итоге становятся ритмоводителями. Ученые предполагают, что в развивающемся сердце происходит конкуренция между многими клеточными осцилляторами, созревающими асинхронно и постепенно увеличивающими частоту спонтанных сокращений. При этом локус инициации ранних сокращений не определяется молекулярно отличным типом клеток-пейсмекеров, а возникает в результате биофизического взаимодействия пространственно распределенных осцилляторов.

Авторы исследования подчеркивают, что первое спонтанное сердцебиение запускается резко и вовлекает в синхронизацию множество кардиомиоцитов — «словно кто-то щелкнул выключателем» — и отмечают также, что участок, инициирующий ранние сокращения сердца, определяется не специфическим молекулярным профилем, а взаимодействиями клеток. «Отдельные клетки сначала учатся сотрудничать, не договариваясь о своих ролях», — комментирует ведущий автор исследования Билл Цзя.

Цитата по пресс-релизу

Игрушечная рыбка из кардиомиоцитов поможет исследовать сердце