Devenir un organisme à part entière à partir d’une poignée de cellules, doté de tissus et d’organes fonctionnels, est un processus compliqué mais hautement synchronisé qui nécessite que les cellules s’organisent de manière précise et commencent à travailler ensemble.
Ce processus est particulièrement dramatique dans le cœur, où les cellules statiques doivent se mettre à battre à l’unisson.
Aujourd’hui, une collaboration inter-écoles dirigée par des chercheurs de la Harvard Medical School et de l’Université Harvard a permis de mieux comprendre comment les cellules du cœur commencent à battre.
Dans une étude menée sur le poisson zèbre, l’équipe a découvert que les cellules cardiaques se mettent à battre soudainement et d’un seul coup à mesure que les niveaux de calcium et les signaux électriques augmentent. De plus, chaque cellule cardiaque a la capacité de battre seule, sans stimulateur cardiaque, et le rythme cardiaque peut démarrer à différents endroits, ont découvert les chercheurs. Les résultats sont publiés le 27 septembre dans Nature.
« Les gens accordent une telle importance aux battements du cœur qu’ils sont au centre des recherches depuis longtemps, mais c’est la première fois que nous pouvons l’examiner en profondeur avec autant de résolution », a déclaré le co-auteur principal. Sean Megason, professeur de biologie des systèmes à l’Institut Blavatnik du HMS.
Apprendre les mécanismes fondamentaux qui sous-tendent le rythme cardiaque peut être intrinsèquement intéressant pour le biologiste curieux, mais il est également essentiel pour comprendre ce qui se passe dans les situations où le système cardiaque qui régule le rythme cardiaque ne se développe pas correctement ou commence à mal fonctionner.
« Le cœur bat environ 3 milliards de fois au cours d’une vie humaine typique, et il ne doit jamais s’arrêter », a déclaré Adam Cohen, co-auteur principal de l’étude, professeur de chimie, de biologie chimique et de physique à Harvard. « Nous voulions voir comment cette incroyable machine se mettait en marche pour la première fois. »
Droit au coeur
Les chercheurs n’ont pas cherché à étudier comment le cœur commence à battre. Ils cherchaient plutôt une question scientifique qui combinerait l’expertise du laboratoire Cohen en matière d’imagerie de l’activité électrique avec l’intérêt du laboratoire Megason pour l’étude de la manière dont les cellules du poisson zèbre en développement apprennent à communiquer et à coopérer.
Leur recherche les a conduits droit au cœur.
Ils ont réalisé que malgré des millénaires de recherche sur le développement du cœur, remontant aux observations d’Aristote chez les poussins, les détails de la façon dont les cellules cardiaques commencent à battre étaient encore un mystère qu’ils pourraient potentiellement résoudre.
« Nous voulions répondre à une question fondamentale : comment les cellules cardiaques passent-elles du silence au battement ? Expliqua Megason. « Quand votre cœur démarre, c’est un événement unique dans une vie, mais il n’est pas évident de savoir comment cela se produit. »
Il s’agissait d’une étude exploratoire, ont noté les chercheurs, ils ne savaient donc pas ce qu’ils allaient découvrir. Peut-être que quelques cellules commenceraient à battre et que la zone de battement augmenterait lentement, spéculaient-ils, ou que différentes parties du cœur commenceraient à battre indépendamment et finiraient par fusionner, ou que le cœur commencerait avec des battements faibles qui se renforceraient avec le temps.
Il s’avère que la réponse n’est aucune de ces réponses.
À l’aide de protéines fluorescentes et d’imagerie au microscope à grande vitesse, les chercheurs ont capturé les changements dans les niveaux de calcium et l’activité électrique dans les cellules cardiaques des embryons de poisson zèbre en développement. À leur grande surprise, ils ont découvert que toutes les cellules cardiaques passaient brusquement de l’arrêt au battement – caractérisé par des pics simultanés de calcium et de signaux électriques – et commençaient immédiatement à battre de manière synchronisée.
« C’était comme si quelqu’un avait appuyé sur un interrupteur », a décrit Cohen.
D’autres expériences ont révélé que pour chaque battement cardiaque, une région du cœur se déclenche en premier, déclenchant une vague d’électricité qui traverse rapidement le reste des cellules et les incite à se déclencher.
Il est intéressant de noter que les battements de cœur ont commencé à différents endroits chez différents poissons zèbres, ce qui suggère qu’il n’y a rien d’unique dans les cellules qui se déclenchent en premier. Cette découverte était contre-intuitive car les cellules du cœur adulte se comportent différemment.
« Contrairement au cœur adulte, où une population spécialisée de cellules de stimulateur cardiaque pilote le rythme cardiaque, la plupart des cellules du cœur embryonnaire ont la capacité de battre d’elles-mêmes, ce qui rend difficile la prédiction de l’emplacement des premiers battements », a déclaré l’auteur principal, Bill Jia. , étudiant diplômé conjoint des laboratoires Cohen et Megason.
Parce que les cellules cardiaques commencent à battre instantanément, elles doivent développer la capacité de battre et de sentir les battements de leurs voisins avant leur tout premier battement de cœur – ce que Megason compare à une armée qui doit commencer à marcher de manière synchronisée sans s’entraîner au préalable.
« Le cœur apprend d’abord à suivre le rythme sans horloge, et les cellules individuelles apprennent d’abord à coopérer sans se mettre d’accord sur leurs rôles », a ajouté Jia. « Il est très important que le rythme cardiaque soit régulier, mais il s’organise très rapidement au début de la vie à partir de ce qui semble être un désordre total. »
Le poisson zèbre en développement offre un modèle pratique pour étudier le cœur car il est transparent, grandit rapidement (développant un battement de cœur en seulement 24 heures) et peut être imagé par douzaine. Cependant, Megason pense que le même processus de développement peut être conservé entre les espèces, y compris les humains.
Cette découverte, a noté l’équipe, ouvre la porte à en apprendre davantage sur le développement du rythme cardiaque d’une espèce à l’autre et pourrait un jour éclairer la manière dont des irrégularités cardiaques telles que des arythmies surviennent chez l’homme.
« En regardant comment le cœur se développe, nous pouvons voir comment différents mécanismes de contrôle sont superposés, ce qui peut nous dire quelque chose sur ce qui se passe s’ils tombent en panne », a déclaré Megason.
