生命的第一次心跳，发生了什么？ | 《自然》

原文作者：Joshua Bloomekatz & Neil C. Chi

在活体斑马鱼胚胎中，计算建模和实验技术的完美结合揭示了心脏如何启动其有序且有节奏的跳动。

在人一生中，心脏跳动次数超过25亿次。但心脏的第一次跳动是如何发生的呢？

从一百年前对小鸡胚胎的研究到最近对小鼠的研究[1]，人们已经明确，第一次心跳甚至发生在原始心管（心脏发育过程中形成的第一个功能结构）形成之前。人们已经知道，心跳的触发之前会有钙离子（Ca²⁺）的瞬时释放，最初表现为Ca²⁺浓度的自发异步振荡[2-4]。

现在，Jia等[5]在《自然》上发表了一篇论文，利用斑马鱼胚胎（Danio rerio）的独特属性，包括体外受精、光学透明和易遗传修饰性，在体内研究钙波是如何在心脏发育中组织和传播，从而触发第一次心跳。

为了捕捉导致第一次心跳的发育事件，Jia等人在活体胚胎中利用全光学电生理工具研究了早期斑马鱼心脏。在许多生物中，早期心肌细胞群体已知双侧发育并迁移至中线（图1），作者在实验中观察到这些细胞中存在稀疏、短暂的Ca²⁺爆发，这与在小鼠中的发现相似[4]。

图1 | 钙爆发和第一次心跳。通过研究斑马鱼胚胎（Danio rerio），Jia等[5]确定了钙离子的细胞释放和心跳（底部示踪）的变化，这些变化伴随着心脏发育的各个阶段。a，b，心肌细胞群在两侧发育并向胚胎的中线迁移，伴随稀疏的、短暂的Ca²⁺释放。c，随着心肌细胞形成环状结构（心脏环），更大和更频繁的钙波从单一起始位点（LOI）开始，在环上形成和传播。d，e，LOI可以在心脏环上移动，最终与原始心管中的起搏细胞重叠（胚胎中形成的第一个功能性心脏结构）。

在受精后20小时，当这些心肌细胞在中心线处合并形成一个环时，会发生突然的生物电转换，形成更大、更频繁的钙波，并传播到心肌细胞环的大部分区域。最初，这些钙波的节奏并不规则，但逐渐变得有规律，最终导致心肌细胞的机械收缩。数学上已经描述了几类静止到振荡的相变，而Jia等发现其中只有一种——“不变圆上鞍结分岔（SNIC）”——符合最初钙波变得周期性的轨迹。

作者使用这个数学模型作为框架，阐明了在心脏发育中引发第一次大钙波的电生理机制。具体来说，他们研究了细胞内Ca²⁺释放是由电压依赖性机制还是电压非依赖性机制触发的。换句话说，启动是否依赖于心肌细胞质膜的去极化？通过使用一种能同时监测电压和钙动力学的报告基因，作者观察到钙波之前的电压波，这表明电压触发了Ca²⁺的释放。

为了验证这些发现，作者使用寡核苷酸（morpholinos）来降低cacna1c基因的表达——此基因编码电压依赖性Ca²⁺通道的一个亚基——并观察到这抑制了电压波和钙波的启动。但ncx1基因（也称为slc8a1a，编码另一离子通道钠-钙交换的蛋白）的作用仍然不太清楚：Jia等发现，寡核苷酸介导的ncx1基因表达降低阻碍了早期心脏Ca²⁺瞬变衰减，而另一项在小鼠中的研究报告称，NCX1蛋白的化学抑制导致瞬变完全消失[4]。因此，在心脏发育的早期阶段，对ncx1或其他物种同源基因的进一步遗传研究将是有益的。

接下来，Jia等研究了初始钙波的时间是否是由于电压诱导事件的时间或心肌细胞对此类事件的响应能力变化所致。使用光遗传学技术，只在部分心肌组织中引发膜去极化，他们发现可以在自然钙波开始之前引发更大的钙波。这表明心肌细胞彼此之间（可能是通过间隙连接）有电耦合，并且心肌能够在第一次波自然诱导之前传导钙波。这些结果共同揭示，在心肌达到这一刻后，心脏中的第一个钙波是由自发、电压依赖性Ca²⁺释放触发的，这引发了一个不断持续的振荡系统，并逐渐变得有规律。

然后，作者将注意力转向确定钙波可能在心肌环中的哪个位置开始——起始位点（LOI）。起搏心肌细胞（专门负责调节成熟心脏跳动的细胞）在心肌钙波起始的相同发育窗口期间，于心脏环的远端边缘特化[6-7]。但Jia等发现，尽管第一个LOI的位置如此前所报告的一样，在胚胎之间有所不同[8]，但它最常出现在心脏环的中央区域，这表明LOI与起搏细胞不同。作者还注意到每个胚胎只有一个LOI。它在很长一段时间内保持稳定（超过十分钟），但随着发育的进行，可能会突然发生移动并向外漂移，最终与原始心管中的起搏细胞重叠。

为什么只有一个LOI？为了寻找答案，作者使用光遗传学沉默了LOI区域，这导致心脏环中的其他地方出现了新的LOI。这似乎是阶段特异的：在之前的研究中，在斑马鱼发育的后期沉默起搏细胞导致心脏停搏（无可检测的心脏收缩），而不是出现新的起搏区域[9]，可能是因为更成熟的心肌细胞不太可能自发地产生周期性的Ca²⁺瞬变。Jia等还发现，在心脏环的不同区域诱导起搏可以建立一个新的LOI——但只有当该区域的起搏频率高于自发LOI的频率时才能发生。这支持了超速驱动抑制的观点，这是一种电生理现象，即心脏中高频率脉冲可能主导起搏[10]，从而解释了为什么只有一个LOI。

Jia等[5]利用一系列互补的电生理学和光遗传学技术以及计算建模来研究活体斑马鱼，展示了早期心脏电活动如何自我组织以调节从休眠到机械搏动心脏的转变。他们的研究基于对小鼠、鸡和大鼠首次心跳的研究[1]，并表明潜在的机制在脊椎动物中是保守的。

还有什么问题需要解决呢？首先一个问题是自发异步钙振荡如何与同步钙波的建立相关联的。另一个问题是，这种生物电同步是如何通过在分子层面转化为所需的节律性收缩力，以推动血液在体内循环。使用遗传模型来鉴定在启动第一次心跳过程中起关键作用的特定离子通道和钙处理蛋白的作用将是非常令人兴奋的。这些模型可能也有助于揭示SNIC分岔参数的分子基础，包括如何确定和协调钙波的诱导和放大阈值。最后，研究周期性动力学和LOI漂移的分子基础可能为成年人的心脏心律失常病理学提供见解：许多相同的基因和生物物理现象可能在成年心脏中发挥作用。

参考更多：你一生的起点：第一次心跳 | Nature视频