上海
心臟被喻為“永不停歇”的器官，它每天跳動約10萬次，泵出約8000升血液。為了應對高血壓、運動訓練或疾病帶來的持續壓力，心臟還需要進行自我調整，從而改變心肌壁的厚度和幾何形狀。這種器官層面的重塑，主要依賴于心肌細胞自身的生長。
具體來說，心肌細胞可以通過在寬度上增加收縮單元肌節，使心肌壁變厚，它也可以在增加肌節使心肌壁變長。前者被稱為向心性重塑，后者稱為離心性重塑。
圖片來源：123RF
異常的向心性重塑常見于高血壓患者，心臟壁變厚但泵血能力尚可維持；異常的離心性重塑則常見于擴張型心肌病，此時心肌壁變薄、心臟腔室擴大，泵血效率下降。這兩種生長方向截然不同，產生的功能后果也具有顯著差異。然而長期以來，科學家并不清楚心肌細胞是如何決定朝哪個方向生長的。
近日，《科學》雜志一項研究揭示了一個關鍵因素——微管。微管是真核細胞骨架的重要組成部分，由微管蛋白組裝而成，呈中空管狀結構。它們不僅維持細胞形態，還負責物質運輸、RNA定位和蛋白質合成。研究表明，微管的穩定性，以及聚合與解聚的動態平衡直接決定了心肌細胞生長的方向。
研究團隊采用了多種實驗模型，包括原代心肌細胞培養、小鼠模型以及人類心臟組織樣本，他們嘗試通過藥物或基因手段調控了微管的穩定性。結果非常明確，當微管被穩定下來，即聚合增強、解聚減少時，心肌細胞的寬度增加，心肌壁變厚；而當微管不穩定時，心肌細胞則明顯變長，心肌壁變薄。
進一步的機制研究發現，微管至少通過兩條通路來執行這種“方向指揮”功能。
第一條通路涉及細胞核周圍的空間組織。穩定化的微管會與核膜蛋白相互作用，改變信使RNA（mRNA）從細胞核輸出的方向。通常，mRNA會均勻分布到細胞質各處，但當微管穩定時，mRNA被優先引導至細胞核的短軸方向，即細胞寬度方向。這導致新合成的蛋白質也主要堆積在細胞兩側，從而使細胞變寬。反之，微管去穩定時，mRNA和蛋白質合成更傾向于向細胞兩端分布，促使細胞伸長。
▲研究示意圖（圖片來源：參考資料[1]）
第二條通路與閏盤的結構重塑有關。閏盤是相鄰心肌細胞之間的連接結構，負責機械耦聯和電信號傳導。研究發現，穩定微管能夠迅速強化閏盤的黏附結構，使其更加緊致。而去穩定微管則會破壞閏盤結構，削弱細胞間的連接。實驗表明，人為破壞閏盤黏附本身就能導致心肌細胞伸長，并使新合成的收縮蛋白優先整合到細胞兩端。
在體內實驗中，小鼠心臟重塑模型表現出與細胞實驗一致的模式。更有意義的是，人類心臟樣本也呈現出相同規律：在心臟功能惡化的擴張型心肌病患者樣本中，閏盤結構松散，心肌細胞明顯拉長，心臟腔室擴大。
研究者指出，長期以來，科學界知道心肌細胞會隨人的年齡和生理條件改變其長寬比例，但背后的分子決策機制一直是個謎。通過這項研究，人們了解了是什么在執行這項工作、又是什么在引導它，這為干預這些機制、糾正異常生長打開了大門。
比如研究發現，一條名為ERK的常見信號通路是調控微管“貨物配送”方向的關鍵控制器。這意味著，未來可能通過靶向ERK通路或直接調控微管的穩定性，引導心臟朝著有利的方向重塑，從而延緩甚至阻止心力衰竭的進程。
參考資料：
[1] Emily A. Scarborough et al, Microtubule dynamics control the direction of cardiomyocyte growth, Science (2026). DOI: 10.1126/science.adz1970
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