اكتشف العلماء في معهد وايزمان والتخنيون أدلة على وجود آلية تنظيمية بطيئة في خلايا عضلة القلب مصممة لتنظيم إيقاع نبضاتها، والتأكد من أنها قريبة قدر الإمكان من دورة نبضة واحدة في الثانية.
عندما يرقص شخصان بالقرب من بعضهما البعض، يتزامن إيقاعهما، بحيث يتحرك كلاهما على الساحة بالتنسيق. تعمل خلايا عضلة القلب بطريقة مماثلة: في الواقع، عندما يتم زراعة خلايا القلب الجنينية في المختبر، فمن الممكن ليس فقط مشاهدة هذا التنسيق - ولكن أيضًا زيادة أو إبطاء إيقاعها عن طريق هز الخلايا. ولكن، لسبب ما، يجب أن تهتز الخلايا لفترة طويلة حتى تغير إيقاعها، وعندما يتوقف الاهتزاز - ستمر فترة زمنية مماثلة حتى تعود إلى إيقاعها الأصلي. إذا كانت دورة النبض لخلية عضلة القلب تحدث كل ثانية تقريبًا، فلماذا يكون الوقت اللازم لتنظيم الإيقاع أطول بكثير؟
إن اكتشاف الفجوة بين مدة تنظيم الإيقاع وإيقاع الدقات نفسه ظهر من تجارب أجريت سابقا في مختبر أستاذي من التخنيون. لكن البروفيسور شموئيل (سام) شافيرنتساءل عالم الفيزياء النظرية من قسم الفيزياء الكيميائية والبيولوجية في معهد وايزمان للعلوم، عن الفرق. جنبا إلى جنب مع الطالب البحثي أوهاد كوهين، البروفيسور شافران بالفعل تظهر في الماضي أن النبضات التلقائية لخلايا عضلة القلب - والتي تحدث كل ثانية تقريبًا - يمكن وصفها من خلال مقارنتها بنظام ميكانيكي يشبه الزنبرك. لكن إذا كانت السمة الوحيدة لنبضات عضلة القلب هي آلية الزنبرك، فإن فيزياء هذا النوع من الأنظمة ستملي اعتماد الإيقاع الجديد خلال لحظات قليلة - وليس بعد دقائق طويلة. يقول البروفيسور شافران: "عندما يكون هناك مثل هذا عدم التطابق، يجب أولاً التحقق من الخصائص الداخلية للنظام - حتى في غياب القوى التي تغير الإيقاع - والسؤال عما إذا كان هناك عامل آخر متورط".
ويشتبه البروفيسور شافران وكوهين في أن وقت رد الفعل الطويل يرتبط بالتنظيم الداخلي للخلية للضوضاء الخارجية - وهي ميزة يتم ملاحظتها غالبًا في البيانات التي يتم الحصول عليها من الأنظمة الحية. أي: إذا كانت خلايا عضلة القلب تنبض كل ثانية تقريبًا - عندما يمكن تقصير الدورة أو إطالتها بعُشر الثانية - فهل من الممكن أن تعمل آلية أخرى أبطأ في الخلية لتنظيم الإيقاع، والتأكد من ذلك؟ هو أقرب وقت ممكن لدورة من ثانية واحدة؟
ولاختبار هذه الفرضية، قام البروفيسور تسليم بتنمية خلايا عضلة القلب في المختبر، وبالتعاون مع كوهين والبروفيسور شافران، قام بتتبع نبضات الخلايا الطبيعية - دون أي تغيير في الإيقاع. إن فحص البيانات التي تم الحصول عليها على مدار دقيقة سمح للعلماء بفهم التفاصيل الدقيقة بين الإيقاع الفعلي والإيقاع المتوسط المثالي. لكن التحدي الكبير كان متابعة النبضات لساعات، وهذا الاختبار كشفت عن نمط جديد: ظهرت الدقات التي كانت أبطأ أو أسرع من المتوسط في مجموعات - العديد من الدقات الأبطأ معًا، تليها العديد من الدقات الطويلة واحدة تلو الأخرى. وكانت مدة هذه العناقيد ما بين عشر إلى ثلاثين دقيقة.
كان الأمر كما لو أن يدًا قد اختفت، حتى لو كانت خرقاء بعض الشيء، تضبط التردد على الراديو - وتدير القرص وتسعى جاهدة للعثور على أفضل جودة للإرسال. عندما قارنت مجموعة البحث مدة التنظيم بين خلايا عضلة القلب المختلفة المزروعة في المختبر (مطروحًا منها بعض الاختلافات، التي جعلت من الممكن مقارنة، على سبيل المثال، دورة مدتها 15 دقيقة بدورة مدتها 25 دقيقة)، اكتشفوا أن الرسوم البيانية متشابهة تمامًا - إشارة إلى وجود آلية تنظيم داخلية في الخلية، وهي ضرورية لوظيفتها - وبغض النظر عن إيقاع النبضات.
كيف "تعرف" الخلية أنها تنبض بسرعة كبيرة أو بطيئة جدًا، ولماذا تتأخر في تنظيم معدل النبض؟ يقول البروفيسور شافران: "على الرغم من أننا مازلنا لا نفهم العمليات الكيميائية الحيوية التي تتحكم في تنظيم نبضات القلب، إلا أن معدل التغيير البطيء يشير إلى احتمال تورط عمليات نسخ الجينات وترجمة البروتين". قد تحدد التجارب المستقبلية ما إذا كانت مدة التنظيم الأطول من المعتاد قد تشير إلى وجود خلل في وظيفة الخلية. أبعد من ذلك، فإن توسيع التجربة لتشمل أنسجة القلب قد يفسر أهمية تنظيم أطول من المعتاد للأنسجة النابضة، وربما في المستقبل، حتى للقلب نفسه.
المزيد عن الموضوع على موقع العلوم:
