Naukowcy z UCL i Francis Crick Institute po raz pierwszy zidentyfikowali pochodzenie komórek serca za pomocą obrazów 3D serca tworzenia się w czasie rzeczywistym, wewnątrz żywego zarodka myszy.
W badaniu, opublikowanym w czasopiśmie EMBO, zespół wykorzystał technikę o nazwie zaawansowanej mikroskopii światła w specjalnie zaprojektowanym modelu myszy. Jest to metoda, w której cienki arkusz światła jest używany do oświetlania i robienia szczegółowych zdjęć małych próbek, tworząc wyraźne obrazy 3D bez powodowania uszkodzenia żyjącej tkanki.
W ten sposób byli w stanie śledzić poszczególne komórki, gdy się poruszały i dzielili w ciągu dwóch dni – od krytycznego etapu rozwoju znanego jako gastrulacja do tego stopnia, że prymitywne serce zaczyna nabierać kształtu. To pozwoliło badaczom zidentyfikować komórkowe pochodzenie serca.
Gastrulacja to proces, w którym komórki zaczynają się specjalizować i organizować w podstawowych strukturach organizmu, w tym serce. U ludzi dzieje się to w drugim tygodniu ciąży.
Naukowcy twierdzą, że ustalenia badania mogą zrewolucjonizować, w jaki sposób naukowcy rozumieją i leczą wrodzone wady serca.
Starszy autor Dr Kenzo Ivanovitch (UCL Great Ormond Street Institute of Child Health and British Heart Foundation Intermediate Research Fellow) powiedział: „Po raz pierwszy mogliśmy obserwować komórki serca, od kilku godzin, od kilku godzin, od kilku godzin, i co stwierdziliśmy.
Za pomocą markerów fluorescencyjnych zespół oznaczył komórki mięśni sercowych (zwanych kardiomiocytami), powodując, że świeciły w wyraźnych kolorach. W połączeniu z mikroskopią lekką arkusz ta innowacja pozwoliła badaczom stworzyć szczegółowy film poklatkowy.
Migawki rejestrowano co dwie minuty w ciągu 40 godzin, tworząc obrazy o niespotykanej rozdzielczości przestrzennej.
Powstały materiał filmowy pokazał, jak komórki poruszają się, dzielą i tworzą pierwsze części zarodka, jak serce. Każdy świecący kardiomiocyt można następnie wyśledzić z powrotem do wcześniejszych komórek, umożliwiając naukowcom stworzenie drzewa genealogicznego komórek. Pomogło im to zobaczyć dokładnie, kiedy i gdzie pierwsze komórki, które sprawiają, że serce pojawiły się w zarodku.
Na najwcześniejszych stadiach komórki zarodkowe były multipotentne (zdolne do stania się różnymi typami komórek). Obejmowały one nie tylko komórki serca, ale także inne, takie jak komórki wsierdzia, rodzaj komórek, która wyznacza wewnętrzne powierzchnie naczyń krwionośnych i komory serca.
Jednak naukowcy odkryli, że wcześnie podczas gastrulacji (zwykle w ciągu pierwszych czterech do pięciu godzin, po pierwszym podziale komórkowym), komórki przyczyniające się wyłącznie do serca pojawiają się szybko i zachowują się w wysoce zorganizowany sposób.
Zamiast poruszać się losowo, podążają wyraźnymi ścieżkami – prawie tak, jakby wiedzieli już, dokąd zmierzają i jaką rolę będą odgrywać, czy przyczyniają się do komor (komory pompowania serca) czy przedsionek (gdzie krew wchodzi do serca z ciała i płuc).
Dr Ivanovitch powiedział: „Nasze ustalenia pokazują, że oznaczanie losu serca i ruch komórek kierunkowy mogą być regulowane znacznie wcześniej w zarodku niż sugerują obecne modele.
„Zasadniczo zmienia to nasze rozumienie rozwoju serca, pokazując, że to, co wydaje się być chaotyczną migracją komórek, jest faktycznie regulowane przez ukryte wzorce, które zapewniają właściwe tworzenie serca”.
Główny autor, doktorant Shayma Abukar (UCL Great Ormond Street Institute of Child Health i UCL Institute for Cardiovascular Science) powiedział: „Pracujemy teraz nad zrozumieniem sygnałów, które koordynują tę złożoną choreografię ruchów komórek podczas wczesnego rozwoju serca.
„Serce nie pochodzi z jednej grupy komórek, tworzy się z koalicji różnych grup komórek, które pojawiają się w różnych momentach i miejscach podczas gastrulacji”.
Spostrzeżenia z badania mogą zrewolucjonizować, w jaki sposób naukowcy rozumieją i leczą wrodzone wady serca, które wpływają na prawie jeden na 100 dzieci. Odkrycia mogą również przyspieszyć postęp w rosnącej tkance serca w laboratorium do stosowania w medycynie regeneracyjnej.
Dr Ivanovitch powiedział: „W przyszłości mamy nadzieję, że praca ta pomoże odkryć nowe mechanizmy tworzenia narządów. To poinformuje zasady projektowania do precyzyjnego programowania wzorców tkanek i kształtów inżynierii tkankowej”.
Badania były wspierane przez British Heart Foundation.