Исследована проводящая система сердца рыб

Рис. 1. Схема освещения сердца маленькими перекрывающимися участками. A — atrium, предсердие, V — ventricle, желудочек. Рис. из обсуждаемой статьи в Science

Хотя проводящая система сердца у млекопитающих изучена хорошо, у других классов позвоночных она исследована очень слабо. Чтобы восполнить этот пробел, немецко-американская группа ученых с помощью оптогенетических методик (см. оптогенетика) исследовала развитие этой системы у важного модельного организма — рыбки данио-рерио (зебрафиш). Ученым удалось локализовать водитель ритма (пейсмейкер) и обнаружить, что он состоит из необычайно малого количества клеток — их всего около десятка. Исследователи также смогли вызвать у рыбок различные нарушения работы сердца (например, тахикардию и брадикардию), что может оказаться полезным при моделировании сердечно-сосудистых заболеваний.

Как известно, сердце обладает автоматией — то есть оно способно сокращаться само по себе, без каких-либо вмешательств снаружи. Даже вынутое из организма и помещенное в физиологический раствор сердце продолжает биться. Всё это возможно благодаря существованию проводящей системы сердца, которая является частью сердца и генерирует сердечный ритм. Именно в проводящей системе зарождается волна возбуждения, которая распространяется по всей сердечной мышце и вызывает ее сокращение. У млекопитающих эта система организована довольно сложно, образуя своеобразную иерархию: в норме ритм сердца задается главным пейсмейкером — синоатриальным узлом; если он поврежден, его функцию берет на себя нижележащий пейсмейкер — атриовентрикулярный узел; если не может работать и он, генерацией сердечного ритма занимается следующий пейсмейкер, и так далее.

Чтобы выяснить, каким образом эта система устроена у рыб, исследователи использовали оптогенетические методики. В кардиомиоциты рыбок данио-рерио они встроили специальные рецепторы, которые включаются, когда на них попадает свет. В результате клетки становятся светочувствительными. Теперь отличить пейсмейкерный участок от простого легко — освещение простого участка вызовет только локальные изменения в работе сердца, в то время как освещение пейсмейкерного нарушит работу всего сердца в целом.

Ученые исследовали сердца данио-рерио начиная с первого дня после оплодотворения (ДПО) и до 6 ДПО (после этого нарушение работы сердца может угрожать жизни рыбы). Чтобы точнее локализовать пейсмейкер, исследователи освещали сердца маленькими перекрывающимися участками (рис. 1).

Выяснилось, что вначале (на 1 ДПО) пейсмейкерная область занимает большой участок возле венозного полюса сердца (рис. 2, А). На второй ДПО эта область сужается вокруг синоатриального региона (рис. 2, B). При этом освещение участков, соседних с пейсмейкером, не останавливает сердце — значит, к этому моменту «руководящие» и обычные области сердца уже четко разделены. В это же время в сердце формируется атриовентрикулярный канал (АВК), соединяющий предсердие с желудочком. Освещение этого канала на второй ДПО вызывает остановку сердца, то есть он обладает свойствами дополнительного пейсмейкера. На 3–5 ДПО значение этого участка падает, и его освещение останавливает только сокращение желудочка. Этот дополнительный пейсмейкер недостаточно «сильный» — по крайней мере, при остановке главного он не в состоянии заставить сердце продолжать биться.

Рис. 2. Расположение пейсмейкерного участка на 1–5 ДПО (dpf). SAR — sinoatrial region, синоатриальная область. AVC — atrioventricular canal, атриовентрикулярный канал. Оранжевым цветом показаны области, освещение которых влияет и на работу предсердий, и на работу желудочков; зеленым — те, освещение которых влияет только на работу желудочков. A — atrium, предсердие; V — ventricle, желудочек. Направления: right — право, left — лево, rostral — верх, caudal — низ. Рис. из обсуждаемой статьи в Science

На третий ДПО пейсмейкерный участок еще сужается и теперь представляет собой небольшую область в правом дорсальном квадранте САК (рис. 2, С). Такое уменьшение пейсмейкерного участка во время развития сердца характерно и для других видов животных. Причем стоит отметить, что и у наземных позвоночных пейсмейкер тоже располагается справа, а не слева.

На 4 и 5 ДПО пейсмейкерный участок уже практически не меняет свое расположение и размер. Удивительно при этом, насколько малым количеством клеток образована эта область. У большинства исследованных сердец их было 10–30, но некоторым достаточно было всего трех.

Теперь, используя полученные данные, исследователи смоделировали на сердцах рыб некоторые распространенные сердечные заболевания — тахикардию, брадикардию и атриовентрикулярную блокаду Больше того, им даже удалось заставить сердце качать кровь в обратную сторону! Результаты хорошо воспроизводимы, а сам способ манипулирования сердцем — с помощью света — настолько удобен, что наверняка получит широкое распространение в будущем.

Источник: Aristides B. Arrenberg, Didier Y. R. Stainier, Herwig Baier, Jan Huisken. Optogenetic Control of Cardiac Function // Science. V. 330. P. 971–974. 12 November 2010. DOI: 10.1126/science.1195929.

Вера Башмакова