美国科学家捕捉到脊椎动物的第一次心跳

2023年9月27日，美国哈佛大学Adam E. Cohen研究组与Sean G. Megason研究组合作在Nature上发表了文章“A bioelectrical phase transition patterns the first vertebrate heartbeats”，利用全光学电生理方法对斑马鱼第一次心跳的事件进行捕捉，并利用生物电生理学对斑马鱼心跳进行模型模拟，显示了脊椎动物中第一心跳从无到有、从异步到协调跳动的转变。

早在两千多年前就有关于早期胚胎发育心脏活动的记载，但是体内对于心脏生理水平的观察受到时空分辨率以及样本尺寸的影响。为了实现捕捉这一生第一次的心跳，作者们试图通过全光学电生理的方法对斑马鱼心脏最初的跳动进行记录，并对这跳动背后的电生理特征等进行分析。

第一次心脏跳动发生在斑马鱼胚胎发育中受精后18-22个小时。在此期间双侧心脏祖细胞聚集形成心脏，因此作者们使用广泛表达的钙离子指示剂jGCaMP7f进行标记捕捉组织特异性表达[1]。作者们定制了琼脂糖模具可以对18个胚胎进行同时成像，可以实现跨实验组的同时记录（图1）。一般来说使用阻止心脏和骨骼肌运动的tnnt2a 吗啉或者α -兔毒素mRNA注射对于钙离子活性影响不大。作者们也用另外一种红移基因编码钙指标FR-GECO1c对心脏跳动的动态过程和时间进行了记录，捕捉斑马鱼心脏生理的早期发育过程。

作者们发现在每个胚胎中，心脏都表现出从静止到突然出现固定波形的钙离子峰。转变的时间点在受精后20.3±0.4小时，与细胞特异性品系进行共定位研究发现钙离子活性变化主要在发育中的心肌细胞中。作者们将第一次大规模的钙离子瞬变称为斑马鱼胚胎的第一次心跳。

之后作者们想知道第一次心跳是与心脏全组织的相关还是某一种细胞子集相关。作者们发现只有极少数的样本（3/39）钙离子瞬变发生在心脏的一半，大多数是全组织范围内钙离子变化。另外，作者们对早期心脏节律动态间隔进行分析，发现心脏跳动逐渐增加，并且通过类似不变圆上鞍结分岔（?Saddle-node on invariant circle bifurcation，SNIC）相位转变逐渐形成周期性心跳（图2）。

之后，作者们对的第一次心脏跳动的特征进行分析，通过对钙离子指示剂jGCaMP7f以及电压依赖的离子通道Voltron1进行融合表达，发现斑马鱼胚胎的心脏第一跳是钙离子瞬变与电压的同时转变。当通过吗啉敲低离子通道Cav1.2会导致在受精后22-23小时后钙离子瞬变与电压变化均不出现。钠离子-钙离子交换蛋白ncx1的敲低也会导致钙离子瞬变出现的时间迟滞。

之后，作者们希望鉴定出第一次心跳的空间起始位点（Spatial locus of initiation，LOI）。通过建立高速钙离子成像图谱，作者们发现心脏起搏的位点是可变的，偏向于心脏的左前位置，早期心脏起跳空间位点与心肌细胞转基因共定位。在心脏起跳的后期，心跳空间起始位点与TCF+细胞共定位，此时nkx2.5荧光信号降低。

总的来说，作者们的工作通过多通道全光学斑马鱼胚胎早期心脏发育阶段钙离子活性记录，揭开了脊椎动物第一次心跳的时间框与动力学特征，同时也对心脏从静止到开始非同步跳动再到同步跳动提供了模型模拟，并对心脏起跳的空间起搏点进行了细胞类型的鉴定（图3）。

参考文献：

1. Dana, H. et al. High-performance calcium sensors for imaging activity in neuronal populations and microcompartments. Nat. Methods 16, 649–657 (2019)

2. Dalangin, R. et al. Far-red fluorescent genetically encoded calcium ion indicators. Preprint at bioRxiv https://doi.org/10.1101/2020.11.12.380089 (2020).