Ученые создали 3D-атлас внутрисердечной нервной системы крысы

Ученые создали трехмерную реконструкцию внутрисердечной нервной системой крысы, на которой отразили анатомическое положение и молекулярный фенотип нейронов. Для создания атласа совместили два метода: сканирующую микроскопию с бриллиантовым лезвием для анатомической реконструкции и лазерную захватывающую микродиссекцию для анализа экспрессии генов в отдельных клетках. Авторы работы, опубликованной в журнале iScience, отмечают, что разработанную ими методику можно использовать на других органах и животных.

В последние годы появляется все больше атласов мозга млекопитающих: трехмерных, интерактивных, с разрешением до отельных клеток и указанием молекулярных фенотипов нейронов. Однако собственный нервный аппарат есть и у других органов, например, у кишечника или сердца, и для них столь подробных реконструкций не существует.

У сердца есть собственная автономная проводящая система, которая задает сердечный ритм и координирует сокращение разных отделов. Кроме того, сердце получает сигналы от центральной нервной системы, а локально работу этого органа регулирует внутрисердечная нервная система. Функциональная организация последней изучена слабо; точное расположение нейронов различных фенотипов не картировано.

Ученые из США под руководством Джеймса Швабера (James Schwaber) из Университета Томаса Джефферсона объединили два подхода для создания трехмерного атласа внутрисердечной нервной системы крыс. Реконструкцию 3D-структуры сердца на клеточном (нейронном) уровне выполнили с помощью сканирующей микроскопии с использованием бриллиантового ножа. Эта технология позволяет получать изображения свежих срезов прямо с лезвия, затем двумерные картинки можно объединять в объемную схему.

На втором этапе исследователи получали замороженные срезы сердца, окрашивали нервную ткань по Нисслю и выделяли отельные клетки методом лазерной захватывающей микродиссекции (он позволяет изолировать клетки, не повреждая их). Фотографии срезов объединяли в трехмерное изображение, а в выделенных нейронах анализировали экспрессию генов по количеству их матричной РНК. Информацию о молекулярном фенотипе нейронов объединяли с 3D-реконструкцией сердца.

Основная часть нейронов внутрисердечной нервной системы крысы располагается в компактной области на задней стороне предсердий, которая напоминает по форме запятую.

Для второго этапа анализа извлекли 151 нейрон, в каждом из них определили уровень экспрессии 154 генов, которые связаны с функционированием нервных клеток. Ученые обратили внимание, что активность некоторых генов распределялась в пространстве по градиенту вдоль вертикальной оси сердца. По молекулярным фенотипам нейроны разделили на четыре группы, их положение в сердце соответствовало пространственным областям, выделенным по градиенту экспрессии генов. Эти группы не были описаны ранее, и авторы работы предполагают, что нарушения в пространственном или функциональном распределении нейронов могут лежать в основе патологий сердечно-сосудистой системы и разной реакции пациентов на лечение.

Метод, который разработали в этой работе, применим и к другим органам с внутренней нервной системой, с его помощью можно определять фенотипы отдельных нейронов и соотносить их с трехмерной структурой органа. Ученые планируют продолжить работу и создать атлас внутрисердечной нервной системы свиньи — анатомия сердца этих животных ближе к человеку.

На создание атласа авторов этой работы вдохновили создатели самого известного атласа мозга, Allen Brain Atlas. Совсем недавно в рамках этого проекта создали трехмерную модель мозга мыши с субмиллимтровым разрешением.

Алиса Бахарева