Новые ключи к загадке человеческого сердца, которой 500 лет

Учёные показали, что мышечные структуры, впервые описанные Леонардо да Винчи, необходимы для работы сердца

Исследователи изучили функцию сложной сети мышечных волокон, выстилающих внутреннюю поверхность сердца. Работа, опубликованная в журнале Nature, проливает свет на вопросы, заданные Леонардо да Винчи 500 лет назад, и показывает, как форма этих мышц влияет на работу сердца и сердечную недостаточность.

В проекте участвовали сотрудники Европейской лаборатории молекулярной биологии, её Европейского института биоинформатики, лаборатории Колд-Спринг-Харбор, Лондонского института медицинских наук Медицинского исследовательского совета, Гейдельбергского университета и Миланского политехнического университета.

У человека сердце — первый функционирующий орган, который развивается и начинает спонтанно биться всего через четыре недели после зачатия. На ранней стадии развития сердце формирует сложную сеть мышечных волокон, называемых трабекулами, которые образуют геометрические узоры на внутренней поверхности сердца. Считается, что они помогают насыщать кислородом развивающееся сердце, но их функция у взрослых оставалась нерешённой загадкой с XVI века.

Чтобы понять роли и развитие трабекул, международная команда исследователей использовала искусственный интеллект для анализа 25 000 магнитно-резонансных томографических снимков сердца, а также связанных данных о морфологии сердца и генетических данных. Исследование раскрывает, как работают и развиваются трабекулы и как их форма может влиять на сердечные заболевания. Британский биобанк сделал данные исследования открыто доступными.

Решения биологической загадки да Винчи

Леонардо да Винчи был первым, кто зарисовал трабекулы и их снежинкоподобные фрактальные узоры в XVI веке. Он предполагал, что они согревают кровь, пока она течёт через сердце, но их истинное значение не признавалось до сих пор.

«Наши результаты отвечают на очень старые вопросы базовой биологии человека. По мере развития крупномасштабного генетического анализа и искусственного интеллекта мы перезагружаем наше понимание физиологии в беспрецедентном масштабе», — говорит Юэн Бирни, заместитель генерального директора Европейской лаборатории молекулярной биологии.

Исследование предполагает, что шероховатая поверхность желудочков сердца позволяет крови течь более эффективно во время каждого сердечного сокращения — так же, как ямки на мяче для гольфа уменьшают сопротивление воздуха и помогают мячу лететь дальше.

Работа также выявляет шесть участков в ДНК человека, которые влияют на то, как развиваются фрактальные узоры в этих мышечных волокнах. Что интригует, исследователи обнаружили, что два из этих участков также регулируют ветвление нервных клеток, что позволяет предположить, что аналогичный механизм может действовать и в развивающемся мозге.

«Наша работа значительно продвинула наше понимание важности трабекул миокарда, — объясняет Ханна Мейер, главный исследователь лаборатории Колд-Спринг-Харбор. — Возможно, ещё важнее то, что мы также показали ценность по-настоящему междисциплинарной команды исследователей. Только сочетание генетики, клинических исследований и биоинженерии привело нас к открытию неожиданной роли трабекул миокарда в работе взрослого сердца».

Трабекулы и риск сердечной недостаточности

Исследователи обнаружили, что форма трабекул влияет на работу сердца, что позволяет предположить потенциальную связь с сердечными заболеваниями. Чтобы подтвердить это, они проанализировали генетические данные 50 000 пациентов и обнаружили, что различные фрактальные узоры в этих мышечных волокнах влияют на риск развития сердечной недостаточности.

Дальнейшие исследования трабекул могут помочь учёным лучше понять, как развиваются распространённые сердечные заболевания, и изучить новые подходы к лечению.

«Леонардо да Винчи зарисовал эти замысловатые мышцы внутри сердца 500 лет назад, и только сейчас мы начинаем понимать, насколько они важны для здоровья человека. Эта работа предлагает захватывающее новое направление для исследований сердечной недостаточности, которая затрагивает жизнь почти 1 миллиона человек в Великобритании», — говорит Деклан О'Риган, клинический учёный и консультант-радиолог Лондонского института медицинских наук Медицинского исследовательского совета.