使用徠卡顯微鏡修復斑馬魚的心臟
在心臟組織再生驚人的發(fā)現(xiàn)是快速移動的研究人員更接近利用再生技術修復人體心臟的目的。 只有十一年前，肯尼斯博士POSS ，細胞生物學杜克大學教授霍華德·休斯醫(yī)學研究所的早期職業(yè)科學家，出版了第一本研究清楚地看到用熒光顯微鏡心臟組織再生的一個例子。 他明確的發(fā)現(xiàn)，斑馬魚可以主要損傷后再生他們的心，顯著的浪涌電流在心臟再生的研究做出了貢獻。 “當時（2002年），心臟再生領域是相當困了。心臟病人不是想著再生。重點是移植和防止損壞。你能受損后的再生心臟的想法只是不真的還上了現(xiàn)場?！?/span> POSS說。
再生領域迅速推進
當他的團隊發(fā)表了他們的開創(chuàng)性文章 ，POSS說，他會預測這將需要至少40年后的再生技術，將準備用于人體應用。 但是，自那以后，在該領域的研究結果已經(jīng)積累了在一個令人驚訝的快速發(fā)展。 “就在最近一兩年發(fā)現(xiàn)在心臟再生的速度都令人嘆為觀止?，F(xiàn)在我預測，在未來幾年，我們將看到一些來自我們的實驗室被用于開發(fā)人類再生應用的發(fā)現(xiàn)和其他“。
斑馬魚模型的優(yōu)點
圖1：游泳斑馬魚（由Greg Nachtrab）的渲染圖像。
一直以來，在治療人類疾病的最大的進步站在基礎研究的肩膀的情況。 POSS博士在過去的十年里建立一個在美國最大的斑馬魚殖民地，誰與他合作，旨在發(fā)掘的生物機制，其中成年斑馬魚受損后重新長出的組織科學家組成的專門團隊。 這個不起眼的小魚以其特有的黑色和白色條紋提供了一個驚人的優(yōu)雅典范再生的研究。 即使在非常嚴重的傷害，斑馬魚能夠快速生成各種復雜的結構，包括鰭 ，視網(wǎng)膜，脊髓和心臟。 POSS解釋他的選擇，研究斑馬魚這種方式，“你可以從單細胞階段，通過幾天因為所有的器官系統(tǒng)可視化形式（斑馬魚）一路攀升 - 所以你幾乎可以看到細胞遷移和血管成長.. ，對其進行可視化的能力（斑馬魚模型）除了其人多力量大最大的力量。“ 換言之，它不僅是相對容易的圖像這些神奇的動物，但他們也方便小巧使研究人員能夠保持大量人口在有限的空間。 POSS的團隊保持5,300罐10?30魚在每一個3000平方英尺的設施，這將增加一倍以上的規(guī)模，明年當兩個新的地點是完整的。
顯微鏡圖像心臟發(fā)育和修復
雖然大多數(shù)斑馬魚的研究主要集中在生命的第一天，心臟和其他器官的初始，胚胎發(fā)育，POSS的團隊是幾個看著在以后的生活心肌再生之一。 要做到這一點，他們制定學習成魚在內(nèi)的數(shù)十轉基因品系，以幫助可視不同細胞類型的新工具。 維卡斯·古普塔研究生在POSS的實驗室，是第一個適應Brainbow技術 （最初開發(fā)用于小鼠的研究），以顏色編碼斑馬魚的心肌細胞-使他們從親代細胞分裂和遷移心臟周圍的后代細胞進行跟蹤。 古普塔開發(fā)的用于表達不同量的心肌細胞內(nèi)的紅色，藍色和黃色的蛋白質，在超過20種不同的顏色標示他們的技術。 這個突破使得團隊形象心臟發(fā)育和出精致的細節(jié)再生過程，因為每個細胞永久保持其顏色，并將其傳遞給新細胞，從中分裂。 采用顯微成像，球隊可以清楚地記錄細胞分裂和遷移模式的魚從心內(nèi)胚胎到成年和心臟損傷后發(fā)生的維修。 事實上，POSS的研究人員首次使用Brainbow定義細胞器官發(fā)育過程中的行為方式。
負責心臟發(fā)育和修復心肌細胞
POSS博士屬性的最令人吃驚的發(fā)現(xiàn)，以這種能力為區(qū)分微觀和色彩跟蹤幾十個類型的細胞。 他解釋說，“這是我們能夠追溯看著特別的細胞類型分化和心臟在斑馬魚胚胎形成過程中繁衍出來。平均而言，我們發(fā)現(xiàn)，有通常只有八心肌細胞的復制，形成大組織，最終使心臟的整面墻的補丁。那真是令我們吃驚?！?/span> 這與其他研究結果掉轉研究者的關注，這已經(jīng)成為越來越注重利用干細胞來刺激再生，對新細胞的其他來源。 由于POSS說，“我們已經(jīng)在魚類中發(fā)現(xiàn)的是，心臟肌肉細胞 - 心肌細胞 - 是心臟肌肉細胞的不僅是胚胎心臟的初步形成過程中的來源，但它們也是新的心臟源再生過程中肌細胞的，因此，像干細胞在這些情況下，擴大遠遠超過我們原來以為個別的心肌細胞可以。我們還沒有發(fā)現(xiàn)，但如何或為什么發(fā)生這種情況，但這一發(fā)現(xiàn)在魚曾執(zhí)導多注意看在肌肉細胞，而不是僅僅著重于干細胞的途徑如何使再生發(fā)生，因為，在這些魚中，我們已經(jīng)能夠清晰圖像的心臟肌肉細胞本身如何是中央的再生過程“。圖3：與肌肉細胞標記由一個多色標簽制度，用Leica TCS SP5激光共聚焦顯微鏡拍攝的斑馬魚的心臟表面的圖像。 使用激光線458納米，515納米和561納米至激發(fā)CFP，YFP，和RFP，分別獲得樣品。 渠道購入依次覆蓋，并導入到Adobe公司的Photoshop，在那里被做了亮度和對比度均勻的調整（由維卡斯古普塔）。
以局部損傷廣泛響應
另一個意外的發(fā)現(xiàn)是響應于局部損傷的程度。 POSS說，“我們預計，在受傷部位非常局部的反應，我們期待所有的再生和信令在那個受傷的位置發(fā)生權利。我們發(fā)現(xiàn)的是，它是一個更動態(tài)的過程，如果你在一個傷害心臟非常小的區(qū)域，你得到的信號和活化遠離損傷部位的途徑，我們受傷的心室，發(fā)現(xiàn)損傷后數(shù)小時內(nèi)信令中庭的反應。這里也有一些機制，當心臟受到傷害非常本地有一個器官，在第一天給它廣泛響應然后組織識別出損傷是局部而這也正是信令和反應開始集中它比我們預期的更加動態(tài)的同時，它不是漸進的 - 很早的一套器官寬在一個小時內(nèi)發(fā)生的反應，我們可以看到了某種特定的基因在受傷的心臟都只是在受損區(qū)域開啟不到處。在一兩天這些基因在損傷部位打開只有...我們做了不期望找到這一點，認為這是為再生能力非常重要。'發(fā)現(xiàn)'的傷害這個過程可能是關鍵的目標，支持改革的組織在特定網(wǎng)站的信號。“
心肌組織的修復速度
該小組還繼續(xù)受到如何快速從傷病中，這將是致命的，在大多數(shù)其他脊椎動物斑馬魚的恢復感到驚訝。 “我們最嚴重的傷害就是基因燒蝕或殺死超過三分之二的肌肉細胞在整個心臟的這是一個令人難以置信的嚴重傷害他們進入心臟衰竭與人類非常晚期心臟衰竭的所有經(jīng)典標志：水腫，敏感性鍛煉，休克，呼吸急促，嗜睡....在人類中，很少有我們能為心臟衰竭的這個級別做。這些魚可以長肌肉的背部和扭轉的癥狀！在一兩個星期你甚至不能告訴他們受傷。他們在坦克周圍疾飛的再生能力本身仍令我感到奇怪?！?/span> POSS笑著說。
基礎研究的重要性
這些重要的和意想不到的發(fā)現(xiàn)強調基礎研究，最近在努力保持資金的重要性。 由于POSS所說的那樣，“當你看著一些東西是如何工作的基本層面 - 它是如何發(fā)生的 - 你有機會找到任何這就是為什么我們很多人都真正堅持認為我們需要繼續(xù)支持基礎研究我們。需要研究的基本發(fā)育生物學 - 如何胚胎發(fā)育和器官如何形成的動物去從少年到成年階段會發(fā)生什么 - 我們不知道很多關于這一點，當任何組織再生會發(fā)生什么 - 鰭或心臟，視網(wǎng)膜，肌肉，肝臟，胰臟 - 通常這些事情，據(jù)我們現(xiàn)在所知，共享信號，他們以不同的方式使用途徑的一個子集有將具體組織機制，以及這一切 - 身體工作 - 所有聯(lián)接在一起......這就是科學的應該是工作“。
關鍵的問題是
而且仍然有許多工作要做之前心臟再生的充分理解。 關鍵的問題是如如何新生成的細胞知道它們是什么，去哪里，以及如何發(fā)揮作用？ 這是在心臟其中包括電耦合肌肉組織尤其混淆問題。 怎么新的心臟細胞定位自己，并納入到一個受傷的，跳動的心臟，而不會導致心律失常？ 什么是防止過 度增長告訴再生過程何時停止機制？圖4：斑馬魚尾鰭骨細胞通過熒光標記突出顯示時，用Leica M205 FA捕獲，顯示的mCherry和EGFP熒光（由Sumeet辛格）的圖像。
改進的工具發(fā)現(xiàn)驅動
現(xiàn)在有幾百個世界各地的實驗室的研究斑馬魚和開發(fā)新的遺傳工具來操縱它們有助于加速整個領域的研究結果。 特別是使用的蛋白標志物和改進熒光立體成像的共焦色分離和定制波長的能力 - - 在顯微鏡的速度和靈敏度的改進也有助于發(fā)現(xiàn)的快節(jié)奏在再生醫(yī)學。
對于他們的零部件，POSS和他的團隊在杜克繼續(xù)努力解開再生的基本機制。 “最終的目標是要弄清楚如何再生發(fā)生在這些斑馬魚系統(tǒng)和這些概念應用到哺乳動物的上下文?？匆粋€小鼠，大鼠或人的心臟后的任何類型的傷害，通常疤痕，并開始應用，我們”因素已經(jīng)在魚鑒定，以支持組織再生的另一種動物?！?/span> 隨著正在再生速度比以前更快的新發(fā)現(xiàn)，有希望，我們可能會達到這個目標遲早比任何人都曾經(jīng)想過可能。