《Science》斑马鱼心脏再生机制或可拓展至哺乳动物

新的研究揭示了斑马鱼从心脏损伤中恢复和再生功能心脏细胞的显着能力。Hubrecht研究所的科学家及其同事发现了一种机制，它可以作为开关来推动新的心肌细胞成熟。研究结果表明，这种机制是保守的，因为它在小鼠和人类心肌细胞上表现出非常相似的效果。

据研究人员称，人类心脏只有有限的自我修复能力，而心血管疾病，包括心脏病发作或心肌梗死，每年导致大约1800万人死亡。心肌梗塞(MI)后，哺乳动物的心脏会失去数百万个心肌细胞(CM)，取而代之的是永久性的纤维化疤痕。虽然现有的治疗方法可以控制心肌梗塞的症状，但没有一种治疗方法可以用功能成熟的心肌细胞代替失去的组织。

与人类不同的是，一些物种，如斑马鱼，可以再生心脏。存活下来的心肌细胞能够分裂并产生更多的细胞。这一独特的特征为斑马鱼的心脏提供了新组织的来源，以取代失去的心肌细胞，这意味着在心脏受损约90天后，斑马鱼可以完全恢复心脏功能。

先前的研究已经确定了可以刺激心肌细胞分裂的因素。然而，正如作者所指出的那样，在此之后新形成的心肌细胞发生了什么，以前没有研究过。“然而，对于将受伤的心脏恢复到其原始大小和功能的机制知之甚少……尽管导致存活心肌细胞增殖的步骤已被广泛研究，但对控制增殖和再分化到成熟状态的机制知之甚少。”

来自Hubrecht研究所的Jeroen Bakkers博士小组的研究人员，对斑马鱼从心脏损伤中恢复和再生功能性心脏细胞的非凡能力有了新的认识。该团队的研究报告揭示了一种新的机制，它可以作为开关，在再生过程中推动心肌细胞或心肌细胞成熟。重要的是，研究结果表明这种机制是保守的，因为它在小鼠和人类心肌细胞上表现出非常相似的效果。

研究人员表示，他们的研究表明，如何检查斑马鱼的自然心脏再生过程，并将这些发现应用于人类心肌细胞，可能有助于开发针对心血管疾病的新疗法。

Bakkers和他的同事在《Science》杂志上发表了一篇论文。在他们的论文中，研究小组得出结论:“这项研究提供了证据，证明CM的成熟不是一个被动的事件，而是一个主动的过程。”

Phong Nguyen博士是这项新报道的研究的第一作者，他解释说:“目前还不清楚这些细胞是如何停止分裂并成熟到足以促进正常心脏功能的。让我们感到困惑的是，在斑马鱼的心脏中，新形成的组织会自然成熟，并毫无问题地融入现有的心脏组织。”

为了详细研究新形成组织的成熟过程，研究人员开发了一种技术，使他们能够在体外培养受伤的斑马鱼心脏的厚片。这使他们能够对心肌细胞中钙的运动进行实时成像。钙进出心肌细胞的调节对控制心脏收缩很重要，可以预测细胞的成熟度。正如他们解释的那样，“因为Ca2+处理随着CMs的成熟而变化，我们开发了一种体外成像系统，使用转基因斑马鱼系，在CMs中特异性表达荧光Ca2+传感器GCaMP6f，以跟踪再生过程中的动态。”

他们的研究结果表明，心肌细胞分裂后，钙的运动随时间而改变。“新分裂细胞中的钙运动最初与胚胎心肌细胞非常相似，但随着时间的推移，心肌细胞呈现出成熟类型的钙运动，”Nguyen说。“我们发现，心脏二分体是一种帮助心肌细胞内钙离子移动的结构，特别是它的一种成分LRRC10，对于决定心肌细胞是分裂还是成熟至关重要。”缺乏LRRC10的心肌细胞继续分裂并保持不成熟状态。”研究人员在他们的论文中报告了他们的发现，他们说:“LRRC10通过抑制早期再生标志，在主动成熟的CMs中起着关键作用，而LRRC10突变体似乎永远处于早期再生阶段，因此无法再生。”

在研究人员确定了LRRC10在阻止斑马鱼心肌细胞分裂和启动成熟中的重要性之后，他们继续测试他们的发现是否可以转化为哺乳动物。为此，他们在小鼠和实验室培养的人心肌细胞(人诱导多能干细胞CMs；hiPSC-CMs)。引人注目的是，LRRC10改变了钙处理，减少了细胞分裂，并增加了这些细胞的成熟，其方式与斑马鱼心脏中观察到的相似。Nguyen继续说道:“看到从斑马鱼身上吸取的经验教训是可翻译的，这令人兴奋，因为这为在患者新疗法的背景下使用LRRC10开辟了新的可能性。”在描述他们的结果时，作者指出:“总的来说，我们发现LRRC10的表达与成熟的结束无关，而是它的表达的开始似乎将hiPSC-CMs的进展推进到更成熟的状态。”

研究结果表明，LRRC10具有通过控制钙处理进一步推动心肌细胞成熟的潜力。这可以帮助科学家们通过将实验室培养的心肌细胞移植到受损的心脏中来解决哺乳动物心脏缺乏再生能力的问题。尽管这种潜在的策略很有希望，但结果表明，这些实验室培养的细胞仍然不成熟，不能与心脏的其他部分正常交流，导致被称为心律失常的异常收缩。

研究人员进一步指出，“个体CMs之间和内部的有效沟通允许同步收缩产生最大的心输出量。这仍然是开发以细胞为基础的心力衰竭疗法的一个未解决的限制因素。具体来说，他们指出，外源心肌组织的CM成熟度尚未精确实现，无法与现有的心肌整合，因此收缩是异步的，因此，对心输出量的长期贡献是不同的。”

Bakker说:“虽然需要更多的研究来精确地定义这些实验室培养的心肌细胞在用LRRC10处理后的成熟程度，但成熟程度的增加可能会改善移植后它们的整合。”此外，目前的心脏病模型通常是基于未成熟的实验室培养的心肌细胞。在实验室中发现的有希望的候选药物中有90%无法进入临床，而这些细胞的不成熟可能是导致这种低成功率的一个因素。我们的研究结果表明，LRRC10也可以提高这些模型的相关性。”

因此，LRRC10可能对生成实验室培养的心肌细胞有重要贡献，这些细胞更准确地代表了典型的成人心脏，从而提高了开发成功的心血管疾病新疗法的机会。作者总结道:“这项研究表明，通过使用自然产生新CM的心脏再生模型，在CM成熟过程中，肌节和Ca2+调节之间存在复杂且高度相互关联的相互作用……我们表明，心脏对这一成熟过程至关重要，这可能为促进CMs成熟提供了一个潜在的目标。”

Interplay between calcium and sarcomeres directs cardiomyocyte maturation during regeneration