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25000次磁共振扫描,探索心脏病新的治疗方法

2020-08-20 10:43
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在 8 月 19 日《自然》杂志发表的一项重磅研究中,由美国冷泉港实验室领导的国际研究团队,使用人工智能分析了 25000 个心脏磁共振成像(MRI)扫描,以及相关的心脏形态和遗传数据,阐明了列奥纳多·达·芬奇 500 年前提出的问题,即排列在人类心脏内表面肌肉纤维的复杂网状结构的功能,并揭示了这些肌肉的形状对成人心脏功能和心力衰竭等疾病的影响。

对人类来说,心脏是第一个发育的功能性器官,在受孕后仅四周就开始自发跳动。在心脏发育的早期,心脏会生长出复杂的肌肉纤维网络——称为小梁——在心脏的内表面形成几何图形。这些结构被认为有助于心脏发育,但它们在成人中的功能自 16 世纪以来一直是一个未解之谜。

“我们的工作大大提高了我们对心肌小梁重要性的认识。”冷泉港实验室的 Hannah Meyer 解释道,“更重要的是,我们展示了一个真正的多学科研究团队的价值。只有结合遗传学、临床研究和生物工程,我们才发现心肌小梁在成人心脏功能中的意外作用。”

500多年的古老问题

提起达·芬奇,人们首先想起的是蒙娜丽莎神秘的微笑,但其实,达·芬奇是人类历史上少有的全才,除了绘画,他还擅长雕刻、数学、物理、天文、音乐,更厉害的是,他还是一个解剖学家。

据统计,达·芬奇总共解剖和观察了 30 多具人类尸体,并画下大量的人体解剖图。在西方现代医学尚未萌芽之际,这位天才“医学家”在解剖学上取得的成就,直至今天仍然在帮助着我们了解自己的身体。

达芬奇绘制的人类心脏结构

就比如,达·芬奇是第一个画出心脏内部复杂的肌肉及其雪花状图案的人。并且他推测,这些复杂的结构可以温暖流经心脏的血液。虽然达·芬奇当时的推测有些浅显,但数百年过去了,人类对于理解心脏内部结构及运作,仍然充满了未知。

现在科学研究已经知道,在胚胎心脏发育过程中,心肌细胞增殖形成向心腔内突起的网状心肌小梁。这些在人类心脏内表面覆盖着的复杂肌束网络,与平滑的大血管内皮细胞不同,比如双心室的心内膜表面排列有肌小梁的有孔网络,并延伸到腔内。

虽然心肌小梁在脊椎动物的进化中保存得非常完好,但除了在胎儿心脏发育过程中促进氧合的作用外,它们在成人中的生理功能、其遗传结构和在心血管疾病中的潜在作用尚未确定。

虽然观察到高小梁是一些遗传性心肌病的特征,但成人心脏中小梁的生理功能、它们的遗传结构和在心血管疾病中的潜在作用尚未确定。

而且,可能令 500 多年前的解剖学先驱们没有想到的是,当今人类社会,心血管疾病已经成为全球因疾病死亡的首要原因。仅在中国,心血管病患者就约有 2.9 亿,即每 5 个成年人中有 1 人患心血管病,每年更是有约 350 万人死于心血管病,占总死亡原因的 41%,居各种疾病之首。

揭示人类心脏未知的秘密

为了了解心肌小梁的作用,包括冷泉港实验室、欧洲生物信息学研究所、伦敦医学科学研究所、海德堡大学和米兰理工大学研究人员组成的国际研究团队,对英国生物样本库的 18,096 名参与者进行了一项全基因组关联研究,并使用人工智能分析了 25000 个心脏磁共振成像(MRI)扫描数据。

研究人员鉴定了 16 个重要的基因座,包含与血流动力学表型和细胞骨架分枝调控相关的基因,然后利用生物力学模拟和人类参与者的观察数据,证明小梁形态是心脏表现的一个重要决定因素。

研究人员发现,小梁的形状会影响心脏的功能,这可能与心脏病有关。为了证实这一点,他们分析了 5 万名患者的基因数据,发现这些肌肉纤维中不同的分形模式影响了心脏衰竭的风险。

通过与心脏病表型和孟德尔随机化的遗传关联研究,研究人员发现小梁形态与心血管疾病风险之间的因果关系。这些发现提示了心肌小梁在成人心脏功能中的未知作用,确定了调节结构复杂性的保守途径,并揭示了心肌小梁对心血管疾病易感性的影响。

“列奥纳多·达·芬奇在 500 年前画出了这些心脏内部复杂的肌肉,直到现在我们才开始理解它们对人类健康的重要性。这项工作为心力衰竭的研究提供了一个令人兴奋的新方向。”伦敦医学科学研究所临床科学家和放射顾问 Declan O'Regan 说。

此外,研究人员认为,心室粗糙的表面使血液在每次心跳时更有效地流动,就像高尔夫球上的酒窝减少空气阻力,帮助球走得更远。

该研究还强调了人类 DNA 中影响这些肌肉纤维分形图案形成的六个区域。有趣的是,研究人员发现其中两个区域也调节神经细胞的分支,这表明在大脑发育过程中可能也有类似的机制在起作用。

研究人员表示,对小梁的进一步研究可能有助于科学家更好地了解常见心脏病的发展和探索新的治疗方法。

“我们的发现回答了人类基础生物学中非常古老的问题。随着大规模基因分析和人工智能的发展,我们对生理学的理解正在重新启动,达到前所未有的规模。”欧洲分子生物学实验室副主任 Ewan Birney 表示。

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