Почему рыбки данио могут регенерировать повреждённую ткань сердца, а другие виды рыб — нет

Сердечный приступ оставляет постоянный рубец на человеческом сердце, в то время как другие животные, включая некоторых рыб и земноводных, могут устранять рубцовую ткань сердца и восстанавливать повреждённую мышцу во взрослом возрасте.

Учёные пытались выяснить, как работает эта особая способность, в надежде продвинуть медицинские методы лечения для кардиологических пациентов-людей, но большие физиологические различия между рыбами и млекопитающими затрудняют такие исследования.

Поэтому биологи из Университета Юты под руководством доцента Джейми Ганьона подошли к проблеме, сравнив два вида рыб: данио-рерио (zebrafish), которые могут регенерировать сердце, и оризию (medaka), которая не может.

История двух рыб

Команда определила несколько возможных объяснений, в основном связанных с иммунной системой, того, как данио восстанавливают сердечную ткань, согласно исследованию, опубликованному в Biology Open.

"Мы подумали, что, сравнивая этих двух рыб, которые имеют схожую морфологию сердца и живут в схожих средах обитания, у нас будет больше шансов найти основные различия", — сказал Клейтон Кэри, постдокторант в лаборатории Ганьона и ведущий автор нового исследования.

Команде Ганьона не удалось решить загадку — пока — но их исследование пролило новый свет на молекулярные и клеточные механизмы, задействованные в регенерации сердца у данио.

"Оно показало нам, что эти два сердца, которые выглядят очень похоже, на самом деле очень разные", — сказал Ганьон.

Оба вида принадлежат к семейству лучепёрых рыб Teleostei, данио-рерио (Danio rerio) и оризия (Oryzias latipes) произошли от общего предка, жившего миллионы лет назад. Оба имеют длину около 1,5 дюймов, обитают в пресной воде и обладают двухкамерным сердцем. Оризия родом из Японии, а данио — из бассейна реки Ганг.

Согласно исследованию, существование рыб, не способных к регенерации, даёт возможность сопоставить различные реакции на повреждение, чтобы выявить клеточные особенности, уникальные для регенерирующих видов. Ганьон полагает, что регенерация сердца — это предковый признак, общий для всех Teleostei.

Понимание эволюционного пути, который привёл к потере этой способности у некоторых видов Teleostei, может дать параллельное понимание того, почему млекопитающие не могут регенерировать во взрослом состоянии.

Холодовой шок для сердца

Для проведения экспериментов лаборатория Ганьона использовала устройство под названием криозонд, чтобы повредить сердца рыб способом, имитирующим сердечные приступы у людей, а затем извлекала сердца через определённые промежутки времени, чтобы узнать, как два вида реагируют по-разному.

Кэри изготовил криозонд из куска медной проволоки, который охлаждался в жидком азоте до примерно минус 170 градусов Цельсия. Члены команды делали крошечные разрезы в брюшках рыб, чтобы обнажить их сердца, а затем прикладывали зонд на 23 секунды к краю сердца.

В 95% случаев рыбы переживали процедуру, хотя и недолго. Через три или 14 дней их сердца извлекали и растворяли в одноклеточный раствор, который затем подвергали РНК-секвенированию в поисках маркеров, указывающих на реакцию рыб на повреждение.

"У данио есть иммунный ответ, типичный для того, что можно увидеть во время вирусной инфекции, называемый интерфероновым ответом", — сказал Кэри. "Этот ответ полностью отсутствует у оризии".

Исследование зафиксировало различия в рекрутировании и поведении иммунных клеток, сигналинге эпикардиальных и эндотелиальных клеток, а также изменения в структуре и составе сердца. Например, у оризии отсутствует определённый тип мышечных клеток, который присутствует у данио.

Как данио заживляют повреждённую сердечную ткань

"Моё предположение, что предок всех животных мог регенерировать своё сердце после травмы, а затем эта способность неоднократно терялась у разных типов животных", — сказал Ганьон. "Я хотел бы понять, почему. Зачем терять эту замечательную черту, которая позволяет регенерировать сердце после травмы?"

Исследование указывает, что способность данио к регенерации как-то связана с их иммунной системой, но понимание того, как именно, потребует дополнительных исследований. Например, гораздо больше макрофагов, специализированных иммунных клеток, мигрировало в место раны у данио, чем у оризии.

В отличие от оризии, у данио образуется временный рубец, который не кальцифицируется в жёсткую ткань.

"Важно то, что вы делаете с этим рубцом", — сказал Ганьон. "Мы думаем, что интерфероновый ответ заставляет эти специализированные клетки макрофагов приходить на место раны и начинать способствовать росту новых кровеносных сосудов".

Со временем новая мышца заменяет повреждённую сердечную ткань, и сердце заживает.

"Чем больше мы узнаём о том, как животные могут регенерировать ткани, как эти черты были утрачены у нас и других животных, это поможет нам думать о наших ограничениях и о том, как мы можем разработать стратегии, чтобы помочь нам их преодолеть", — сказал Ганьон.

"Мы надеемся, что построим эту базу знаний на животных, которые действительно доступны и могут быть изучены с невероятной детализацией, а затем используем эти знания для создания более целенаправленных экспериментов на млекопитающих, а затем, возможно, когда-нибудь и на пациентах-людях".