Onderzoekers van de UCL en het Francis Crick Institute hebben, in een levend embryo van een muis, voor het eerst de oorsprong van hartcellen geïdentificeerd aan de hand van 3D-beelden van de vorming van een hart. Voor het onderzoek gebruikte het team een techniek die geavanceerde lichtplaatmicroscopie wordt genoemd op een speciaal ontwikkeld muismodel. Dit is een methode waarbij een dun vel licht wordt gebruikt om minuscule monsters te belichten en gedetailleerde foto's te maken, waarbij duidelijke 3D-beelden worden gemaakt zonder levend weefsel te beschadigen.
Op deze manier konden ze individuele cellen volgen terwijl ze zich in de loop van twee dagen bewogen en verdeelden - van een kritieke ontwikkelingsfase die gastrulatie wordt genoemd tot het punt waarop het primitieve hart vorm begint te krijgen. Hierdoor konden de onderzoekers de cellulaire oorsprong van het hart identificeren. Gastrulatie is het proces waarbij cellen zich beginnen te specialiseren en organiseren in de primaire structuren van het lichaam, waaronder het hart. Bij mensen gebeurt dit tijdens de tweede week van de zwangerschap.
Begrip van aangeboren hartafwijkingen
De bevindingen van het onderzoek, gepubliceerd in The EMBO Journal, zouden een revolutie teweeg kunnen brengen in de manier waarop wetenschappers aangeboren hartafwijkingen begrijpen en behandelen, aldus de onderzoekers. “Dit is de eerste keer dat we hartcellen zo nauwkeurig en zo lang hebben kunnen bekijken tijdens de ontwikkeling van zoogdieren. We moesten eerst de embryo's gedurende lange periodes, van een paar uur tot een paar dagen, op een betrouwbare manier in een schaaltje laten groeien en wat we vonden was totaal onverwacht”, vertelt dokter Kenzo Ivanovitch van het UCL Great Ormond Street Institute of Child Health en British Heart Foundation Intermediate Research Fellow.
De inzichten uit het onderzoek kunnen een revolutie teweegbrengen in de manier waarop wetenschappers aangeboren hartafwijkingen begrijpen en behandelen, die bijna één op de 100 baby's treffen. De bevindingen zouden ook de vooruitgang kunnen versnellen bij het kweken van hartweefsel in het lab voor gebruik in de regeneratieve geneeskunde. “In de toekomst hopen we dat dit werk nieuwe mechanismen van orgaanvorming aan het licht zal brengen. Dit zal leiden tot ontwerpprincipes voor het nauwkeurig programmeren van weefselpatronen en -vormen voor weefselmanipulatie”, aldus Ivanovitch.
Fluorescente markers
Met behulp van fluorescente markers werden door het team hartspiercellen (cardiomyocyten genaamd) gemarkeerd, waardoor ze oplichtten in verschillende kleuren. In combinatie met lichtmicroscopie stelde deze innovatie de onderzoekers in staat om een gedetailleerde time-lapse video te maken. Over een periode van 40 uur werden elke twee minuten momentopnames gemaakt, waardoor beelden met een ongekende ruimtelijke resolutie ontstonden.
De resulterende beelden lieten zien hoe cellen bewegen, zich delen en de eerste delen van een embryo vormen, zoals het hart. Elke oplichtende cardiomyocyt kon vervolgens worden getraceerd naar eerdere cellen, waardoor wetenschappers een stamboom van de cellen konden maken. Zo konden ze precies zien wanneer en waar de eerste cellen die alleen het hart maken in het embryo verschenen. Bekijk de video van het UCL hieronder:
In de allervroegste stadia waren embryonale cellen multipotent (in staat om verschillende celtypen te worden). Hiertoe behoorden niet alleen hartcellen, maar ook andere zoals endocardiale cellen, een celtype dat de binnenkant van bloedvaten en hartkamers bekleedt.
Georganiseerde beweging van cellen
De onderzoekers ontdekten echter dat vroeg in de gastrulatie (meestal binnen de eerste vier tot vijf uur, na de eerste celdeling) cellen die alleen bijdragen aan het hart snel tevoorschijn komen en zich op een sterk georganiseerde manier gedragen. In plaats van willekeurig te bewegen, volgen ze verschillende paden - bijna alsof ze al weten waar ze naartoe gaan en welke rol ze gaan spelen, of ze nu bijdragen aan de ventrikels (de pompkamers van het hart) of de atria (waar het bloed het hart binnenkomt vanuit het lichaam en de longen).
“Onze bevindingen tonen aan dat de bepaling van het lot van het hart en de richting van de celbewegingen veel eerder in het embryo worden geregeld dan de huidige modellen suggereren. Dit verandert ons begrip van de ontwikkeling van het hart fundamenteel door te laten zien dat wat chaotische celmigratie lijkt, in werkelijkheid wordt bestuurd door verborgen patronen die zorgen voor de juiste vorming van het hart”, aldus Ivanovitch
