25000次磁共振掃描，探索心臟病新的治療方法

2020-08-20 10:43

在 8 月 19 日《自然》雜志發(fā)表的一項(xiàng)重磅研究中，由美國(guó)冷泉港實(shí)驗(yàn)室領(lǐng)導(dǎo)的國(guó)際研究團(tuán)隊(duì)，使用人工智能分析了 25000 個(gè)心臟磁共振成像（MRI）掃描，以及相關(guān)的心臟形態(tài)和遺傳數(shù)據(jù)，闡明了列奧納多·達(dá)·芬奇 500 年前提出的問(wèn)題，即排列在人類心臟內(nèi)表面肌肉纖維的復(fù)雜網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)的功能，并揭示了這些肌肉的形狀對(duì)成人心臟功能和心力衰竭等疾病的影響。

對(duì)人類來(lái)說(shuō)，心臟是第一個(gè)發(fā)育的功能性器官，在受孕后僅四周就開(kāi)始自發(fā)跳動(dòng)。在心臟發(fā)育的早期，心臟會(huì)生長(zhǎng)出復(fù)雜的肌肉纖維網(wǎng)絡(luò)——稱為小梁——在心臟的內(nèi)表面形成幾何圖形。這些結(jié)構(gòu)被認(rèn)為有助于心臟發(fā)育，但它們?cè)诔扇酥械墓δ茏?16 世紀(jì)以來(lái)一直是一個(gè)未解之謎。

“我們的工作大大提高了我們對(duì)心肌小梁重要性的認(rèn)識(shí)。”冷泉港實(shí)驗(yàn)室的 Hannah Meyer 解釋道，“更重要的是，我們展示了一個(gè)真正的多學(xué)科研究團(tuán)隊(duì)的價(jià)值。只有結(jié)合遺傳學(xué)、臨床研究和生物工程，我們才發(fā)現(xiàn)心肌小梁在成人心臟功能中的意外作用。”

500多年的古老問(wèn)題

提起達(dá)·芬奇，人們首先想起的是蒙娜麗莎神秘的微笑，但其實(shí)，達(dá)·芬奇是人類歷史上少有的全才，除了繪畫(huà)，他還擅長(zhǎng)雕刻、數(shù)學(xué)、物理、天文、音樂(lè)，更厲害的是，他還是一個(gè)解剖學(xué)家。

據(jù)統(tǒng)計(jì)，達(dá)·芬奇總共解剖和觀察了 30 多具人類尸體，并畫(huà)下大量的人體解剖圖。在西方現(xiàn)代醫(yī)學(xué)尚未萌芽之際，這位天才“醫(yī)學(xué)家”在解剖學(xué)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(dá)芬奇繪制的人類心臟結(jié)構(gòu)

就比如，達(dá)·芬奇是第一個(gè)畫(huà)出心臟內(nèi)部復(fù)雜的肌肉及其雪花狀圖案的人。并且他推測(cè)，這些復(fù)雜的結(jié)構(gòu)可以溫暖流經(jīng)心臟的血液。雖然達(dá)·芬奇當(dāng)時(shí)的推測(cè)有些淺顯，但數(shù)百年過(guò)去了，人類對(duì)于理解心臟內(nèi)部結(jié)構(gòu)及運(yùn)作，仍然充滿了未知。

現(xiàn)在科學(xué)研究已經(jīng)知道，在胚胎心臟發(fā)育過(guò)程中，心肌細(xì)胞增殖形成向心腔內(nèi)突起的網(wǎng)狀心肌小梁。這些在人類心臟內(nèi)表面覆蓋著的復(fù)雜肌束網(wǎng)絡(luò)，與平滑的大血管內(nèi)皮細(xì)胞不同，比如雙心室的心內(nèi)膜表面排列有肌小梁的有孔網(wǎng)絡(luò)，并延伸到腔內(nèi)。

雖然心肌小梁在脊椎動(dòng)物的進(jìn)化中保存得非常完好，但除了在胎兒心臟發(fā)育過(guò)程中促進(jìn)氧合的作用外，它們?cè)诔扇酥械纳砉δ堋⑵溥z傳結(jié)構(gòu)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征，但成人心臟中小梁的生理功能、它們的遺傳結(jié)構(gòu)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(xué)先驅(qū)們沒(méi)有想到的是，當(dāng)今人類社會(huì)，心血管疾病已經(jīng)成為全球因疾病死亡的首要原因。僅在中國(guó)，心血管病患者就約有 2．9 億，即每 5 個(gè)成年人中有 1 人患心血管病，每年更是有約 350 萬(wàn)人死于心血管病，占總死亡原因的 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(shí)驗(yàn)室、歐洲生物信息學(xué)研究所、倫敦醫(yī)學(xué)科學(xué)研究所、海德堡大學(xué)和米蘭理工大學(xué)研究人員組成的國(guó)際研究團(tuán)隊(duì)，對(duì)英國(guó)生物樣本庫(kù)的 18，096 名參與者進(jìn)行了一項(xiàng)全基因組關(guān)聯(lián)研究，并使用人工智能分析了 25000 個(gè)心臟磁共振成像（MRI）掃描數(shù)據(jù)。

研究人員鑒定了 16 個(gè)重要的基因座，包含與血流動(dòng)力學(xué)表型和細(xì)胞骨架分枝調(diào)控相關(guān)的基因，然后利用生物力學(xué)模擬和人類參與者的觀察數(shù)據(jù)，證明小梁形態(tài)是心臟表現(xiàn)的一個(gè)重要決定因素。

研究人員發(fā)現(xiàn)，小梁的形狀會(huì)影響心臟的功能，這可能與心臟病有關(guān)。為了證實(shí)這一點(diǎn)，他們分析了 5 萬(wàn)名患者的基因數(shù)據(jù)，發(fā)現(xiàn)這些肌肉纖維中不同的分形模式影響了心臟衰竭的風(fēng)險(xiǎn)。

通過(guò)與心臟病表型和孟德?tīng)栯S機(jī)化的遺傳關(guān)聯(lián)研究，研究人員發(fā)現(xiàn)小梁形態(tài)與心血管疾病風(fēng)險(xiǎn)之間的因果關(guān)系。這些發(fā)現(xiàn)提示了心肌小梁在成人心臟功能中的未知作用，確定了調(diào)節(jié)結(jié)構(gòu)復(fù)雜性的保守途徑，并揭示了心肌小梁對(duì)心血管疾病易感性的影響。

“列奧納多·達(dá)·芬奇在 500 年前畫(huà)出了這些心臟內(nèi)部復(fù)雜的肌肉，直到現(xiàn)在我們才開(kāi)始理解它們對(duì)人類健康的重要性。這項(xiàng)工作為心力衰竭的研究提供了一個(gè)令人興奮的新方向。”倫敦醫(yī)學(xué)科學(xué)研究所臨床科學(xué)家和放射顧問(wèn) Declan O＇Regan 說(shuō)。

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

該研究還強(qiáng)調(diào)了人類 DNA 中影響這些肌肉纖維分形圖案形成的六個(gè)區(qū)域。有趣的是，研究人員發(fā)現(xiàn)其中兩個(gè)區(qū)域也調(diào)節(jié)神經(jīng)細(xì)胞的分支，這表明在大腦發(fā)育過(guò)程中可能也有類似的機(jī)制在起作用。

研究人員表示，對(duì)小梁的進(jìn)一步研究可能有助于科學(xué)家更好地了解常見(jiàn)心臟病的發(fā)展和探索新的治療方法。

“我們的發(fā)現(xiàn)回答了人類基礎(chǔ)生物學(xué)中非常古老的問(wèn)題。隨著大規(guī)模基因分析和人工智能的發(fā)展，我們對(duì)生理學(xué)的理解正在重新啟動(dòng)，達(dá)到前所未有的規(guī)模。”歐洲分子生物學(xué)實(shí)驗(yàn)室副主任 Ewan Birney 表示。