心臟發(fā)育機(jī)制的大發(fā)現(xiàn)！Science：機(jī)械應(yīng)力對(duì)心臟瓣膜形成過(guò)程的調(diào)控機(jī)制

來(lái)源：生物探索作者：人氣：-發(fā)表時(shí)間：2021-11-23 14:53:00【大中小】

心臟是生命的發(fā)動(dòng)機(jī)，源源不斷地提供循環(huán)系統(tǒng)中的動(dòng)力，是生物體內(nèi)最關(guān)鍵的和最精密的器官之一。在心臟內(nèi)部，心房與心室之間有瓣膜，這些瓣膜使血液只能由心房流入心室而不能倒流。如此精密的結(jié)構(gòu)是如何形成的呢？近日，法國(guó)國(guó)家健康與醫(yī)學(xué)研究院Julien Vermot研究組在《Science》，發(fā)表了題為“Bioelectric signaling and the control of cardiac cell identity inresponse to mechanical forces”的文章，闡述了心血管瓣膜的形成過(guò)程以及機(jī)械應(yīng)力在此過(guò)程中的調(diào)控機(jī)制。

機(jī)械力，如流體剪切應(yīng)力和由血流和心跳產(chǎn)生的拉伸力，廣泛存在于血液循環(huán)中。在心臟內(nèi)部，心內(nèi)膜細(xì)胞(EdCs)將力信號(hào)轉(zhuǎn)化為細(xì)胞生化信號(hào)，誘導(dǎo)形成瓣膜，并且根據(jù)所屬的心臟區(qū)域?qū)απ盘?hào)有不同的反應(yīng)。在本研究中，以斑馬魚(yú)作為生物模型，研究了機(jī)械力調(diào)節(jié)特定的心內(nèi)膜向瓣膜發(fā)育的過(guò)程。

研究者們首先利用斑馬魚(yú)為生物模型對(duì)時(shí)空機(jī)械應(yīng)力參數(shù)進(jìn)行高精度控制，利用熒光探針（Tg）對(duì)EdCs中表達(dá)的熒光Ca2+傳感器蛋白GCaMP7a進(jìn)行實(shí)時(shí)成像，以監(jiān)控分析心內(nèi)膜細(xì)胞中的Ca2+的動(dòng)態(tài)變化，結(jié)果發(fā)現(xiàn)Ca2+振蕩幾乎只會(huì)在房室瓣的房室管區(qū)域形成，因此研究者們推測(cè)，Ca2+振蕩是瓣膜形成的重要因素。

在以往的研究中已經(jīng)發(fā)現(xiàn)，活化T細(xì)胞核因子1 (Nuclear factor of activated T cells 1, Nfatc1)是一種已知的Ca²⁺ 敏感的轉(zhuǎn)錄因子，可調(diào)節(jié)心內(nèi)膜-間充質(zhì)轉(zhuǎn)化和心臟瓣膜形態(tài)發(fā)生。因此研究者們通過(guò)綠色熒光蛋白（GFP）熒光標(biāo)記Nfatc1,來(lái)監(jiān)測(cè)Ca2+ 信號(hào)通路。

為了確定在EdCs中觀察到的Ca2+振蕩是否是力響應(yīng)的，研究者們利用藥物（MS-222 、 p-amino）使斑馬魚(yú)停止心跳，實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，當(dāng)心臟停止跳動(dòng)時(shí)，EdCs中的Ca2+振蕩消失，而在心跳重啟后恢復(fù)。這也驗(yàn)證了Ca2+振蕩與心內(nèi)膜細(xì)胞EdCs的應(yīng)力響應(yīng)。

進(jìn)一步地，研究者們希望通過(guò)操縱血管瓣膜邊界處的機(jī)械應(yīng)力對(duì)機(jī)械力改變所帶來(lái)的效應(yīng)進(jìn)行檢測(cè)。研究者們將一個(gè)30-60μm的瓊脂磁珠插入到心血管腔中，在通過(guò)磁鑷操縱磁珠來(lái)改變血管瓣膜邊界處的機(jī)械力，并記錄Ca2+的變化。結(jié)果顯示，通過(guò)外力引起的機(jī)械力的變化會(huì)導(dǎo)致心臟瓣膜定位異常，進(jìn)一步證明了Ca2+振蕩與心內(nèi)膜細(xì)胞(EdCs)機(jī)械應(yīng)力密切相關(guān)。

那么當(dāng)應(yīng)力發(fā)生錯(cuò)誤的時(shí)候，是否對(duì)瓣膜形態(tài)形成和發(fā)育有影響呢？在心房?jī)?nèi)珠移植16-20小時(shí)后，在磁珠附近觀察到瓣膜樣的團(tuán)簇。假手術(shù)空白組形成了房室管區(qū)域的瓣膜，然而，加入磁珠的實(shí)驗(yàn)組，心房和心室區(qū)也可見(jiàn)瓣膜樣結(jié)構(gòu)，也就是磁珠造成了瓣膜生長(zhǎng)錯(cuò)亂。

此外，研究者們還發(fā)現(xiàn)ATP（腺嘌呤核苷三磷酸）通過(guò)嘌呤能受體P2X通道激活Ca2+信號(hào)，使Ca2+內(nèi)流。通過(guò)微注入法，將oligomycin A（清除ATP）,apyrase (一種ATP水解酶), and ATPγS（ATP類(lèi)似物）注入到心腔，細(xì)胞外ATP水平顯著影響Ca2+顯著變化。因此，P2X通道可以調(diào)節(jié)EdCs中的Ca2+內(nèi)流并響應(yīng)細(xì)胞外ATP水平的變化，是Nfatc1信號(hào)通路的上游，在機(jī)械力刺激下控制瓣膜發(fā)育。

在本研究中，研究者們確定了ATP-Ca2+是在心血管形成和瓣膜發(fā)育中形成的延伸調(diào)控通道，通過(guò)血流動(dòng)力學(xué)機(jī)械力可以指導(dǎo)心臟瓣膜的發(fā)育。因此，ATP可以幫助心臟瓣膜在體外生長(zhǎng)，并有可能用到先天性心臟瓣膜缺陷等疾病的治療中。

總結(jié)，這項(xiàng)工作表明生物系統(tǒng)依賴于多種機(jī)械力敏感途徑來(lái)精確控制形態(tài)發(fā)生過(guò)程，這也是一種保障機(jī)制，可以增強(qiáng)機(jī)械力調(diào)控的穩(wěn)健性，避免心臟異位瓣膜形成，是生命進(jìn)化的自我調(diào)控機(jī)制，也為解決相關(guān)疾病的研究提供了可靠的理論基礎(chǔ)，在攻克心臟疾病的道路上具有非常重要的意義。