Сердце, логотип
www.CARDIOGENES.dp.ua
строение и развитие сердечно-сосудистой системы
Реkлама: Европейское радиологическое медицинское оборудование - r-med.com.ua в Украине .
Кардиогенез :: Развитие структурных и функциональных факторов…
 
Гетерогенность миокарда и ее развитие в нормальном кардиомиогенезе (монография), Днепропетровск, 1996
Твердохлеб И.В. Гетерогенность миокарда и ее развитие в нормальном кардиомиогенезе. Днепропетровск, 1996
с.5
[ ⇐ назад | вперед ⇒ ]

Глава 1 Развитие структурных и функциональных факторов гетерогенности сократительного аппарата

Анализ проблемы структурно-функциональной гетерогенности миокарда неразрывно связан с изучением сократительного аппарата кардиомиоцитов: состояния миофибрилл в различных зонах и отделах сердца, особенностей его развития и функционирования на этапах онтогенеза, молекулярных основ формирования сократительных структур, регуляции синтеза саркомерных белков, а также энергетики и регуляции сокращения (Pearson, 1982).

Рис.1. Формирование примитивных миофибрилл в сократительных кардиомиоцитах
Рис.1. Формирование примитивных миофибрилл в субсарколеммальной зоне желудочковых сократительных кардиомиоцитов человека на 6й неделе эмбриогенеза. Ув.: 8000. Mf - миофибрилла; Mt- митохондрия; Sl - сарколемма; L - лизосома; N- ядро.   Стрелками   указаны    полирибосомные комплексы  в локусе активной сборки миофибриллы.

В многочисленных экспериментальных работах отечественных и зарубежных авторов отчетливо показано, что степень структурно-функционального развития миофибрилл заметно различается в желудочковом и предсердном миокарде человека (Г.К. Петухова, 1975; П.П.Румянцев, 1972, 1982; Л.М.Непомнящих и др., 1989; McNutt et al.. 1969; 1974; Legato. 1973) и экспериментальных животных (Page et al.. 1974; Pilny. 1975; Sartore et al., 1978; Irisawa. 1984). Эти различия включают  в частности, существенный гетерогенитет по содержанию миофибрилл, их компоновке и ориентированности в саркоплазме клеток.

Морфологически и ультрацитохимически доказано, что большинство предсердных миоцитов, достоверно относящихся к классу сократительных, не содержат в своем составе каналов Т-системы (Hirakow, 1970; Sommer et al., 1976). В том случае, если элементы T-системы все же удавалось обнаружить, они имели признаки примитивной взаимной ориентации и строения по сравнению с желудочковыми кардиомиоцитами (Ayettey et al., 1978). В морфолого-биохимическом исследовании Р.А.Дробышевой с соавт. (1978) установлено, что ультраструктурные различия между рабочими клетками желудочков и предсердий сочетаются с неодинаковыми источниками энергии и механизмами энергорепродукции в мышечных элементах миокарда крыс.

В количественных морфологических исследованиях изучены отличительные особенности сократительного аппарата кардиомиоцитов левых и правых сосочковых мышц в сердце человека (Mandarim-Lacerda, 1984), левых и правых отделов сердца кошки (Gotoh, 1983), правого и левого желудочков миокарда крыс (В.Л.Горячкина, 1972), различных зон стенки желудочков в сердце человека (Л.М.Непомнящих, 1981).

Рис. 2. Характер структуры миофибрилл на поперечном срезе сократительных желудочковых кардиомиоцитов
 Рис. 2. Характер структуры миофибрилл на поперечном срезе сократительных желудочковых кардиомиоцитов в миокарде человека на 7-й неделе эмбриогенеза. Ув.: 48000.

Большой интерес исследователей вызвали онтогенетические аспекты вопроса о формировании градиента различий в признаках развития сократительных структур между отделами сердца. Результаты ультраструктурного анализа механизмов миофибриллогенеза свидетельствуют о том, что в желудочках сердца крысиных эмбрионов самосборка гексагональных миофиламентозных комплексов начинается раньше, чем в предсердиях (Viragh, 1964). Аналогичная закономерность характерна также для миокарда человека: по данным Obrucnik с соавт. (1977; 1978), эмбриональные предсердные миоциты по уровню развития сократительных структур на 7-10 суток отстают от сократительных клеток желудочков. Приведенным выше сведениям в значительной мере противоречат данные других исследователей, в соответствии с которыми дифференцировка предсердных и желудочковых кардиомиоцитов вплоть до 3-й недели эмбриогенеза крыс и до конца эмбрионального развития человека протекает морфологически сходно (Р.А.Дробышева,  1975;  Pager, 1968).

Рис. 3. Ориентация примитивных миофибрилл
Рис. 3. Ориентация примитивных миофибрилл в суб-сарколеммальной зоне сократительных желудочковых кардиомиоцитов в миокарде человека на 6й неделе эмбриогенеза. Ув.: 14000.

В экспериментах с ранними эмбрионами кур (П.А.Хлопонин, 1976), крыс (David, 1979), мышей (П.П.Румянцев, 1972) и кроликов (Smith et al.. 1977) было показано, что онтогенетические преобразования сократительного аппарата кардиомиоцитов связаны с различной степенью усложнения конфигурации вставочных дисков в предсердном и желудочковом отделах, а также с неодинаковым характером развития fasciae adhaerentes, нексусов и десмосом на контактных поверхностях клеток при изучении левых и правых отделов сердца экспериментальных животных. Напротив, в исследованиях Kim с соавторами (1992) при изучении процессов дифференцировки в миокарде человека в целом отвергается морфологическая гетерогенность между правым и левым желудочками.

На основании многочисленных морфологических данных, обобщенных в обзорах П.П.Румянцева (1982; 1990), можно сделать заключение о том, что механизмы миофибриллогенеза в различных отделах сердца и зонах сердечной стенки осуществляются принципиально сходным образом, однако сведения о степени их выраженности, соотношении и скорости протекания в различных участках миокарда носят противоречивый и зачастую умозрительный характер.

Рис. 4. Скопление актиновых филаментов в паравазальном участке
Рис. 4. Скопление актиновых филаментов в паравазальном участке сократительного желудочкового кардиомиоцита в сердце 5-недельного эмбриона человека. ЕС - участок эндотелиальной клетки; Mt- - незрелая митохондрия; Mf - миофибрилла. Стрелками указано скопление актиновых нитей. Ув.: 18000.

В последнее десятилетие для объяснения многочисленных морфологических феноменов при изучении развития сократительного аппарата кардиомиоцитов стали широко использоваться биохимические подходы, направленные на поиск онтогенетических закономерностей в перестройках белкового состава контрактильных структур. Индукция генов сократительных белков находится под контролем общих миогенных дифференцировочных программ (Arai et al., 1992). В цикле работ Л.И.Ковалева с сотрудниками (1986, 1987) с помощью двумерного гель-электрофореза была разработана карта белкового спектра сердечной мышцы мышей (161 фракция); авторы изучили и количественно оценили основные сдвиги белкового состава кардиомиоцитов на этапах эмбрионального и постнатального развития. Б последующих публикациях, вышедших из этой лаборатории, была представлена белковая карта миокарда человека, насчитывающая 213 фракций (Е.В.Пуляева и др.. 1990), а также проанализированы сдвиги "мажорных" белков миокарда человека на этапах онтогенеза (М.Н. Цветкова и др., 1992). Показано, в частности, что по 8 изомолекулярным формам белки предсердий отличаются от желудочкового спектра; при этом в левом желудочке обнаруживалось 6 электрофоретических вариантов протеинового спектра, что было обозначено авторами как формирование белкового полиморфизма. По мнению авторов, существенное снижение количества белковых фракций в пренатальном онтогенезе связано с регрессией эмбриональных генов.

Рис. 5. Участок саркоплазмы сократительной клетки с выраженным накоплением актиновых фибрилл
Рис. 5. Участок саркоплазмы сократительной клетки с выраженным накоплением актиновых фибрилл (указаны стрелками). Желудочковый миокард человека на 7й неделе эмбриогенеза. Ув.: 16000.

Изучение собственно сократительных белков (в составе саркомеров) показало, что в раннем постнатальном развитии кроликов миофибриллярные белки левого желудочка накапливаются в 2,5 раза быстрее, чем правого (Robinson et al., 1990). При этом фракционная скорость синтеза тяжелых цепей миозина не имела достоверных отличий в желудочках. Авторы полагают, что скоростные различия в синтезе саркомерных белков играют роль в направленной перестройке гемодинамики в раннем постзмбриональном периоде.

Важным событием, сопровождающим формирование миофибрилл в раннем эмбриогенезе, является смена изомолекулярных форм различных сократительных белков. По данным ДНК-РНК гибридизации, в миокарде крыс a-скелетный и a-сердечный изогены актина экспрессируются знутриутробно; к моменту рождения мРНК a-скелетного актина составляет около 40% от суммарного ее количества и в течение 1й недели жизни крыс резко снижается (Schwartz et al., 1992; Carrier, 1992). При этом доминирующей в постэмбриональном сердце становится a-сердечная изомолекулярная форма актина. Экспрессия двух изоформ саркомерных актинов в сердце крыс и человека регулируется возрастными, гормональными и гемодинамическими стимулами (Boheler et al.. 1991). В опытах с микроинъекциями флюоресцентного актина в саркоплазму культивируемых кардиомиоцитов обнаружено, что белок встраивается в 1-диски за 4-5 секунд после инъекции, причем максимальное количество a-актина накапливается в зонах прикрепления миофибрилл к торцевым участкам сарколеммы (Imanaka-Ioshida et al.. 1993). Напротив, в исследованиях Kouchi с сотрудниками (1993) представлены данные о преимущественном накоплении меченого актина на уровне А-полосы миофибрилл на протяжении 4 минут после инъекции.

Рис.1.6. А - участок миокарда левого желудочка человека на 8й неделе эмбриогенеза. Ув.; 4000
Рис.1.6. А - участок миокарда левого желудочка человека на 8й неделе эмбриогенеза. Ув.; 4000

Роль актина в жизнедеятельности кардиомиоцитов не ограничивается лишь структурным участием в синтезе миофибрилл. В экспериментах Donath с сотрудниками (1994), проведенных на культивируемых кардиомиоцитах крыс, было показано, что стимуляция саркомерогенеза сопровождается подавлением синтеза несаркомерной формы a-актина, названной автором "гладкомышечной". Указанные белки объединяются в стресс-подобные структуры, которые, по мнению автора, участвуют в развитии гипертрофии. Распределение несаркомерного a-актина в саркоплазме имеет сетеподобную структуру (Stasaki et al., 1989). Детальное описание стресс-подобных комплексов в саркоплазме культивируемых недифференцированных кардиомиоцитов представлено в работе Handel с соавторами (1991), которые, изучив их белковый состав и распределение в клетках, обнаружили в составе "стрессовых" фибрилл молекулы тропомиозина и титина и поставили вопрос о значении понятия "саркомерные" белки в отношении миофибриллогенеза.

В некоторых иммуноцитохимических исследованиях обнаруживаются сведения о существовании в саркоплазме культивируемых кардиомиоцитов исчерченных и неисчерченных миофибрилл (Lu et al., 1992; Schultheiss et al., 1990); и те и другие включают тропонин I и некоторые минорные белки, способные регулировать сократительную способность указанных структур. В исследованиях Lin с соавторами (1989) были описаны так называемые "переходные полигоны" в культуре диссоциированных кардиомиоцитов куриных эмбрионов, а также проведено сопоставление их белкового состава с протеиновым спектром "истинных" стресс-фибрилл в распластывающихся фибробластах и гладкомышечных клетках. Показано, в частности, что "полигоны" содержат мышечные изоформы a-актина, a-актинин и винкулин, в отличие от истинных стресс-фибрилл, содержащих немышечные сократительные изоформы. В опытах с кардиомиоцитами новорожденных крыс обнаружилось, что стрессовые фибрилла-подобные структуры обладают способностью взаимодействовать с цитоскелетом, а также участвовать в узнавании и взаимодействии с элементами внеклеточного матрикса (Hilenski et al.. 1991).

Рис. 6 (Продолжение). Б-Д. фрагменты саркоплазмы, указанные рамками на рисунке 1.6А.
Рис. 6 (Продолжение). Б-Д. фрагменты саркоплазмы, указанные рамками на рисунке 1.6А. Стрелками показаны скопления актиновых филаментов. Ув.: 24000.

Адаптационные изменения клетки во многом обусловлены полимеризацией глобулярной формы актина и перестройками взаимодействующих с ним белков (Н.А.Онищенко, 1991). Глобулярный актин составляет 13-19% общего мембранного белка, организует цитоскелет и обладает способностью связывать АТФ и Са2+ (Korn, 1982). По данным Therian с сотрудниками (1984), способность актиновых молекул к полимеризации-деполимеризации позволяет регулировать скорость и направление обменных процессов. Кроме того, полимеризация актина способствует фиксации состояния клетки (Sharp et al., 1993), упорядочивает структуру цитоплазмы (Sugi et al.. 1991), увеличивает количество ориентированных поверхностей с локализацией на них дополнительных ферментных комплексов (Therian, 1984).

Важная роль в регуляции сократительной активности миофибрилл кардиомиоцитов принадлежит группе тропонинов (I. С, Т). Показано, что в эмбриональном развитии кур в составе актомиозинового комплекса на фоне количественного нарастания мРНК тропонина Т (Mesnard et al., 1993) происходит замена "медленной" скелетной изоформы на "быструю" сердечную форму тропонина Т (Martin et al., 1991). Аналогичная закономерность смены скелетных изомолекулярных форм сердечными установлена для тропонина I в миокарде человека (Bhavsar et al., 1991; Sasse et al., 1993) и крыс (Godt et al., 1991), а также для тропонина С в миокарде мышей (Nagai et al.. 1993) и кроликов (McAuliffe et al., 1990).

Следует отметить, что наряду с приведенными данными в литературе встречаются публикации, противоречащие выявленной закономерности. Так, например, в исследованиях McAuliffe с сотрудниками (1991), проведенных на фетальном и постнатальном миокарде овец, была обнаружена лишь одна изоформа тропонина Т. которая начинала экспрессироваться с середины беременности и в течение всей жизни животных. При этом, однако, авторы не уточняли, каким образом в раннем эмбриогенезе могли функционировать миофибриллы в отсутствие Са2+-регулирующего белкового компонента саркомеров.

Рис. 7. Варианты организации смешанных миофиламентных пучков в саркоплазме сократительных кардиомиоц...
Рис. 7. Варианты организации смешанных миофиламентных пучков в саркоплазме сократительных кардиомиоцитов на продольных срезах желудочкового миокарда человека. А - 6-я неделя эмбриогенеза; левый желудочек. Ув.: 28000. Б -7-я неделя эмбриогенеза; левый желудочек. Ув.: 24000. В - 5-я неделя эмбриогенеза; правый желудочек. Ув.: 32000. Г - 7-я неделя эмбриогенеза; правый желудочек. Ув.: 28000.

Анализ данных литературы о роли и онтогенетических сдвигах тропомиозина, винкулина, десмина и a-актинина позволяет заключить, что указанные белки не имеют каких-либо изомолекулярных форм и представлены уникальными полипептидными последовательностями на любом из этапов развития сердца, однако в кардиогенезе существенным образом изменяются топологические особенности указанных белков. Исследования, проведенные на культивируемых кардиомиоцитах куриных эмбрионов, указали на существенную роль тропомиозина в формировании цитоскелета сократительных клеток, причем до 39й стадии основная масса белка обнаруживалась в цитоплазматической фракции и лишь, затем преобладала в цитоскелете (Muros et al., 1992). Сходная закономерность установлена во внутриклеточном распределении десмина в развивающихся кардиомиоцитах кур (Muros et al., 1990) и сирийских хомячков (Osinska et al., 1993), винкулина - в курином и бычьем миокарде (Pardo et al., 1983). Иммуноцитохимическое и ультраструктурное исследование распределения a-актинина в саркоплазме кардиомиоцитов кур и млекопитающих позволило определить важное значение данного протеина для закрепления концевых саркомеров миофибрилл к адгезивным участкам вставочных дисков и для формирования фокусных контактов (Shimada, 1987), а также для организации тонких (актиновых) миофиламентов в локусах образования Z-дисков (А.Б.Борисов и др., 1989).

Рис. 8. Характер накопления осмиофильного материала в зоне скрепления пучков сократительных филамент...
Рис. 8. Характер накопления осмиофильного материала в зоне скрепления пучков сократительных филаментов в саркоплазме сократительных кардиомиоцитов левого желудочка сердца человека. А -5-я неделя эмбриогенеза. Ув.: 24000. Б - 6-я неделя эмбриогенеза. Ув.45000. В - 7-я неделя эмбриогенеза. Ув.: 26000.

Изучение свойств нативных препаратов актомиозина эмбрионального сердца быков (Л.Ф.Ефимова и др., 1979) и человека (Н.А.Лебедева, 1974) позволило выявить существование двух форм миозина - "эмбриональной" и "зрелой",- различающихся по своей АТФазной активности и устойчивости к нагреванию. В исследованиях Samuel с сотрудниками (1983), проведенных на изолированных кардиомиоцитах новорожденных, 3-недельных и половозрелых крыс, было выявлено три основных "изофермента" миозина (V1, V2 и V3), причем в зрелом миокарде сократительные клетки были гетерогенны по их содержанию.

В обзоре Epstein (1982) было отмечено, что в онтогенезе млекопитающих наблюдается смена, по меньшей мере, трех форм миозина - эмбриональной, ювинильнои и взрослой.

Рис.9. Динамика плотности упаковки миофибрилл (1) и актиновых полигонов (2) в саркоплазме
Рис.9. Динамика плотности упаковки миофибрилл (1) и актиновых полигонов (2) в саркоплазме сократительных кардиомиоцитов левого желудочка в развивающемся сердце человека и крысы.

С помощью непрямого метода иммунофлюоресценции была изучена локализация и онтогенетическая динамика 2 типов миозина (Sanders et al., 1983), обозначенных авторами как предсердный и желудочковый. Показано, в частности, что в миокарде куриных зародышей интенсивность специфической иммунофлюоресценции на "желудочковый" антиген на 20й стадии развития уменьшалась от артериального полюса к венозному. Метка на "предсердный" тип миозина имела обратный градиент, накапливалась в морфологически обособляющихся предсердиях и содержалась в кардиомиоцитах. выстилающих студенистый внеклеточный матрикс атриовентрикулярного канала, артериального ствола и желудочка.

Далее — [изоформы миозина, миофибриллы].

Поддержка
 © 2008-2015 Cardiogenes.dp.ua
© обработка Dr. Andy  
Key words: heart, cardiogenesis, cardiac development. Ключевые слова: сердце, кардиогенез, гистогенез миокарда эндокарда эпикарда, ангиогенез, развитие сердечно-сосудистой системы, васкулогенез, эмбриология, теоретическая кардиология, врожденные пороки сердца, струны сердца. Миокард человека и животных, наука, медицина, ветеринария, сердце.
Rambler's Top100 li MyCounter