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研究人員首次描述的肌肉結構對于心臟功能至關重要

2020年8月19日,劍橋-研究人員研究了覆蓋心臟內表面的復雜肌纖維網的功能。這項研究發表在《自然》雜志上,闡明了萊昂納多·達·芬奇500年前提出的問題,并顯示了這些肌肉的形狀如何影響心臟功能和心力衰竭。

該項目包括EMBL歐洲生物信息學研究所(EMBL-EBI),冷泉港實驗室,MRC倫敦醫學科學研究所,海德堡大學和米蘭理工大學的合作者。

在人類中,心臟是第一個發育的功能器官,并且在受孕后僅四個星期就開始自發地跳動。在發育早期,心臟會生長出復雜的肌肉纖維網絡-小梁-在心臟內表面形成幾何圖案。這些被認為可以幫助發育中的心臟充氧,但是自16世紀以來,它們在成年人中的功能仍然是一個尚未解決的難題。

為了了解小梁的作用和發展,一個國際研究人員團隊使用人工智能分析了心臟的25,000次磁共振成像(MRI)掃描以及相關的心臟形態和遺傳數據。這項研究揭示了小梁的工作和發展方式,以及它們的形狀如何影響心臟病。UK Biobank已公開提供研究數據。

達芬奇生物學之謎的解決方案

萊昂納多·達·芬奇(Leonardo da Vinci)是16世紀最早繪制小梁及其雪花狀分形圖案的人。他推測他們在流經心臟的血液中會變熱,但是直到現在,他們的真正重要性才被人們所認識。

EMBL副總干事Ewan Birney說:“我們的發現回答了人類基本生物學中非常古老的問題。隨著大規模遺傳分析和人工智能的發展,我們正在將對生理學的理解重新提升到前所未有的水平。”

研究表明,心室的粗糙表面使每次心跳期間血液都能更有效地流動,就像高爾夫球上的酒窩降低了空氣阻力并幫助球進一步運動一樣。

該研究還強調了人類DNA中的六個區域,這些區域會影響這些肌肉纖維中的分形模式。有趣的是,研究人員發現這些區域中的兩個區域也調節神經細胞的分支,這表明類似的機制可能在發育中的大腦中起作用。

“我們的工作大大提高了我們對心肌小梁的重要性的認識,”冷泉港實驗室首席研究員漢娜·邁耶(Hannah Meyer)解釋說。“也許更重要的是,我們還展示了一支真正的多學科研究團隊的價值。只有遺傳學,臨床研究和生物工程學的結合才使我們發現了心肌小梁在成年心臟功能中的出乎意料的作用。”

小梁和心力衰竭的風險

研究人員發現,小梁的形狀會影響心臟的性能,暗示與心臟病的潛在聯系。為了證實這一點,他們分析了5萬名患者的遺傳數據,發現這些肌纖維中不同的分形模式影響了發生心力衰竭的風險。

對小梁的進一步研究可以幫助科學家更好地了解常見的心臟病如何發展并探索新的治療方法。

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