《自然》：回答500年前達文西的疑問，揭示人類心臟未知的秘密

2020-08-26 學術頭條

在 8 月 19 日《自然》雜誌發表的一項重磅研究中，由美國冷泉港實驗室領導的國際研究團隊，使用人工智慧分析了 25000 個心臟磁共振成像(MRI)掃描，以及相關的心臟形態和遺傳數據，闡明了李奧納多·達·文西 500 年前提出的問題，即排列在人類心臟內表面肌肉纖維的複雜網狀結構的功能，並揭示了這些肌肉的形狀對成人心臟功能和心力衰竭等疾病的影響。


對人類來說，心臟是第一個發育的功能性器官，在受孕後僅四周就開始自發跳動。在心臟發育的早期，心臟會生長出複雜的肌肉纖維網絡——稱為小梁——在心臟的內表面形成幾何圖形。這些結構被認為有助於心臟發育，但它們在成人中的功能自 16 世紀以來一直是一個未解之謎。



「我們的工作大大提高了我們對心肌小梁重要性的認識。」冷泉港實驗室的 Hannah Meyer 解釋道，「更重要的是，我們展示了一個真正的多學科研究團隊的價值。只有結合遺傳學、臨床研究和生物工程，我們才發現心肌小梁在成人心臟功能中的意外作用。」


500多年的古老問題


提起達·文西，人們首先想起的是蒙娜麗莎神秘的微笑，但其實，達·文西是人類歷史上少有的全才，除了繪畫，他還擅長雕刻、數學、物理、天文、音樂，更厲害的是，他還是一個解剖學家。


據統計，達·文西總共解剖和觀察了 30 多具人類屍體，並畫下大量的人體解剖圖。在西方現代醫學尚未萌芽之際，這位天才「醫學家」在解剖學上取得的成就，直至今天仍然在幫助著我們了解自己的身體。


達文西繪製的人類心臟結構


就比如，達·文西是第一個畫出心臟內部複雜的肌肉及其雪花狀圖案的人。並且他推測，這些複雜的結構可以溫暖流經心臟的血液。雖然達·文西當時的推測有些淺顯，但數百年過去了，人類對於理解心臟內部結構及運作，仍然充滿了未知。


現在科學研究已經知道，在胚胎心臟發育過程中，心肌細胞增殖形成向心腔內突起的網狀心肌小梁。這些在人類心臟內表面覆蓋著的複雜肌束網絡，與平滑的大血管內皮細胞不同，比如雙心室的心內膜表面排列有肌小梁的有孔網絡，並延伸到腔內。


雖然心肌小梁在脊椎動物的進化中保存得非常完好，但除了在胎兒心臟發育過程中促進氧合的作用外，它們在成人中的生理功能、其遺傳結構和在心血管疾病中的潛在作用尚未確定。


雖然觀察到高小梁是一些遺傳性心肌病的特徵，但成人心臟中小梁的生理功能、它們的遺傳結構和在心血管疾病中的潛在作用尚未確定。



而且，可能令 500 多年前的解剖學先驅們沒有想到的是，當今人類社會，心血管疾病已經成為全球因疾病死亡的首要原因。僅在中國，心血管病患者就約有 2.9 億，即每 5 個成年人中有 1 人患心血管病，每年更是有約 350 萬人死於心血管病，佔總死亡原因的 41%，居各種疾病之首。


揭示人類心臟未知的秘密

為了了解心肌小梁的作用，包括冷泉港實驗室、歐洲生物信息學研究所、倫敦醫學科學研究所、海德堡大學和米蘭理工大學研究人員組成的國際研究團隊，對英國生物樣本庫的 18,096 名參與者進行了一項全基因組關聯研究，並使用人工智慧分析了 25000 個心臟磁共振成像(MRI)掃描數據。


研究人員鑑定了 16 個重要的基因座，包含與血流動力學表型和細胞骨架分枝調控相關的基因，然後利用生物力學模擬和人類參與者的觀察數據，證明小梁形態是心臟表現的一個重要決定因素。


研究人員發現，小梁的形狀會影響心臟的功能，這可能與心臟病有關。為了證實這一點，他們分析了 5 萬名患者的基因數據，發現這些肌肉纖維中不同的分形模式影響了心臟衰竭的風險。



通過與心臟病表型和孟德爾隨機化的遺傳關聯研究，研究人員發現小梁形態與心血管疾病風險之間的因果關係。這些發現提示了心肌小梁在成人心臟功能中的未知作用，確定了調節結構複雜性的保守途徑，並揭示了心肌小梁對心血管疾病易感性的影響。


「李奧納多·達·文西在 500 年前畫出了這些心臟內部複雜的肌肉，直到現在我們才開始理解它們對人類健康的重要性。這項工作為心力衰竭的研究提供了一個令人興奮的新方向。」倫敦醫學科學研究所臨床科學家和放射顧問 Declan O'Regan 說。


此外，研究人員認為，心室粗糙的表面使血液在每次心跳時更有效地流動，就像高爾夫球上的酒窩減少空氣阻力，幫助球走得更遠。


該研究還強調了人類 DNA 中影響這些肌肉纖維分形圖案形成的六個區域。有趣的是，研究人員發現其中兩個區域也調節神經細胞的分支，這表明在大腦發育過程中可能也有類似的機制在起作用。



研究人員表示，對小梁的進一步研究可能有助於科學家更好地了解常見心臟病的發展和探索新的治療方法。


「我們的發現回答了人類基礎生物學中非常古老的問題。隨著大規模基因分析和人工智慧的發展，我們對生理學的理解正在重新啟動，達到前所未有的規模。」歐洲分子生物學實驗室副主任 Ewan Birney 表示。


排版：趙辰霞
編審：王新凱


資料來源：
https://www.cshl.edu/understanding-the-inner-workings-of-the-human-heart/
https://www.nature.com/articles/s41586-020-2635-8

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