ОСОБЕННОСТИ РАЗВИТИЯ МИОКАРДА

Человеческое сердце уникально. При относительно небольшом весе в 300 г у мужчин и 250 г у женщин оно обеспечивает жизнеспособность всего организма и перекачивает до 6 литров крови в минуту, совершая около 60-65 ударов в спокойном состоянии. Постоянные физические нагрузки приводят к увеличению размера сердца, повышению внутрисердечного давления и вследствие чего необходимости усиления сердечных сокращений. Сокращения же в свою очередь осуществляются благодаря среднему слою сердца-миокарду.

За последние годы благодаря развитию цито-и гистохимии, электронной микроскопии, авторадиографиии и цито-спектрофотометрии представления о процессах, происходящих в кардиомиоцитах в ходе нормального развития значительно обогатились. Анализ закономерностей дифференцировки клеток миокарда в процессе эмбриогенеза-одно из наиболее актуальных направлений современной кардиологии по причине роста рождаемости детей с различными пороками сердца, метаболическими нарушениями в миокарде, кардиомиопатиями. И в основе этих патологий лежит понимание нормального онтогенеза.

Кардиомиоциты-специализированные клетки миокарда, присущие только для сердечной поперечно-полосатой мускулатуры. В ходе своего развития они претерпевают различные изменения. В параксиальной мезодерме (мезодерме боковой пластинки) в стадии гаструляции образуются кардиогенные клетки, которые, размножаясь, образуют участок, называемый прекардиальной мезодермой. Из мезодермы боковых пластинок под действием сигнальных молекул BMP, FGF8, Cerberus, Nodal появляется кардиогенная мезодерма- прекардиальные клетки (т.е. предшественники) на 3й неделе ВУР в пределах кардиогенных зон спланхномезодермы. В ядрах клеток-предшественников находятся транскрипционные факторы. Кардиобласты являются клетками предшественниками, содержащими белки Nkx2-5, семейство MEF2 и белки семейства GATA. Эти белки способствуют превращению кардиобластов в кардиомиоциты. GATA 4,5,6 транскрипты присутствуют в прекардиальной мезодерме и затем переходят в эндокардиальный GATA-5 и миокардиальные GATA 4 и 6.  Вслед за чем начинается формирование слоев сердца под действием специальных индукторов: белков, специфичных для сердечной мышцы и ANF. Из спланхномезодермы выделяются клетки ангиобласта, образующего эндокард, что способствует образованию из висцеральных листков спланхнотомов мезодермы миокардиальных пластинок. Между ангиобластом и миокардиальными пластинками находится кардиогель. Происходят миграции, приводящие в итоге к закладкам будущих камер сердца: желудочков- в области головного отростка, предсердий- по бокам от первичной полоски с возможностью последующих сокращений. Индукторами данного процесса выступают N-кадгерин, Hand2, Xin, Hand1 и Pitx2. Таким образом, формируется многоклеточное сердце под действием клеток нервного гребня, эффекторных генов формирования перегородки, эффекторных генов формирования петли (Xin,flectin). Миокард камер и внекамерный миокард характеризуются дифференциальной экспрессией генов. Так, маркёром миокарда камер служит продукт гена Nppa – предсердный натриуретический фактор (ANF), а внекамерного миокарда – транскрипционный фактор Tbx2

Рисунок 1. Влияние сигнальных факторов на развитие миокарда

Рассмотрим подробнее сами клетки миокарда. Изначально клетки миокардиальных пластинок- это крупные спланхноэпителиальные клетки с короткими отростками и располагающиеся в 1-2 слоя. Эти клетки содержат рибосомы, малоразвитые митохондрии, липидные капли, тонкие филаменты в цитоплазме и характеризуются высокой пролиферативной активностью. Вслед за «выселением» миокардиальных пластинок из спланхномезодермы следует дифференциация кардиомиоцитов- основных клеток сердца, которые позднее распределяются на сократительные, проводящие и секреторные.

Итак, дифференциация протекает достаточно синхронно, из пластинок образуются хоть и примитивные, но уже отдельные клетки. Вместе с дифференциацией происходит процесс пролиферации кардиомиоцитов, митотический индекс которого постепенно уменьшается. Примитивные миофибриллы содержат немышечный миозин 2 типа, которые и участвует в формировании миофибриллярного аппарата кардиомиоцита. Образование примитивных миозиновых нитей-признак последующей упаковки актиновыми филаментами гексагонально. В упаковке же актиновых и миозиновых филаментов участвует сердечный миозин-связывающий белок C(сМуВР-С), который располагается в А-диске С-зоны, где перекрываются тонкие и толстые филаменты. Таким образом в развивающихся клетках появление филаментозного материала свидетельствует об успешной дифференцировке. А вслед за ними образуются основные органеллы, содержание которых в кардиомиоцитах предсердий и желудочков различно. Предсердные миоциты значительно отстают от желудочковых. Так, у 4-6 недельных эмбрионов они в 1,5-2 раза беднее миофибриллами и митохондриями, чем желудочковые. Но в них лучше развит комплекс Гольджи и выявляются секреторные гранулы. На 7-8 неделе развития в части предсердных миоцитов обнаруживаются специфические гранулы. На более поздних этапах в предсердных миоцитах не происходит редукции комплекса Гольджи и гранулярной ЭПС, что характерно для желудочковых. Именно этим исследователи объясняют разную степень дифференцировки и начало ее во времени у клеток предсердий и желудочков.

Рисунок 2. Дифференцирующиеся желудочковые(1) и предсердные(2) кардиомиоциты

Формообразовательным процессом в генезе сердца является трабекуляция.  Индукторами трабекуляции выступает ряд факторов или так называемых сигнальных путей- Angiopoietin/Tie2, Semaphorin/Plexin и Neuregulin/ErbB2/ErbB4. Кроме того, влияние оказывают и механические факторы. Такие, как кровоток и сокращение. Трабекулы-это  гребневидные структуры миокарда желудочков, необходимые для сокращения и увеличения массы желудочков. Кардиомиоциты мигрируют в направлении трабекулярного слоя, а затем соседние кардиомиоциты перемещаются на освободившееся места и таким образом формируются выпячивания в стенке миокарда- трабекулы. Очевидно, что в  основе образования трабекул лежит способность кардиомиоцитов к миграции.

Рисунок 3. Трабекулированное сердце зародыша на 4 неделе ВУР

Особенно важным процессом является дифференцировка проводящих кардиомиоцитов. Интересен тот факт, что клетки проводящей системы экспрессируют ряд некардиомиоцитарных антигенных детерминант. Это альфа-гладкомышечный актин (a-SMA), белки триплета нейрофиламентов(NF), эндотелиальные факторы (neuregulin). Например, экспрессия  NF выявляется в виде исчерченности вследствие коэкспрессии миофибриллярных белков и белков триплета NF предположительно в области Z-дисков на саркомерах. Этим обусловлена полипотентность кардиомиоцитов, т.е. способность сокращаться и проводить импульс. Также ранние кардиомиоциты могут и генерировать импульс. Но к концу 2 месяца развития уже завершается дифференцировка в различные клетки проводящей системы. Основным отличием является низкое содержание миофибриллярного компонента, что подразумевает низкое содержание рибосом, т.е. практически отсутствие активности к биосинтезу. Клеточные отростки исчезают, объем цитоплазмы увеличивается, т.е. можно сделать вывод, что состав сократительных и проводящих кардиомиоцитов различен. К 8 неделе у эмбрионов в синоатриальном узле обнаруживаются 2 вида клеток: «светлые» с большим количеством гликогена, вытянутыми митохондриями и редкими миофиламентами- пейсмейкерные или P-клетки. И вторые, напоминающие развивающиеся клетки миокарда-переходные. В атриовентрикулярном узле и пучке Гиса затем также выявляются 2 вида клеток. У 9-20 недельных эмбрионов четко выражена разница между промежуточными и пейсмейкерными клетками. Тут индуктивное влияние на морфогенез оказывает нервная трубка, а также клетки ганглиозной пластинки, мигрировавшие в зачаток сердца.

Кроме того, помимо  проводящих и сократительных клеток в сердце выделяют секреторные, содержащие гликопротеиновые гранулы и секретирующие натрийуретический фактор, отвечающий за повышение АД. Концентрация секреторных кардиомиоцитов наблюдается в стенке правого предсердия.

Интересно то, что в настоящее время проводится множество исследований по культивированию кардиомиоцитов. В ходе большинства исследований были обнаружены перестройки сократительного аппарата клеток сердца с преобразованием исчерченных структур (тонких и толстых нитей) в неисчерченные, что является причиной неспособности к сокращению. Фибробласты, находящиеся в смешанной культуре клеток сердца, продуцируют компоненты внеклеточного матрикса (коллагены, гликопротеины и пр.). В одной из работ был описан синтез эластина культурой кардиомиоцитов и вслед за этим следовало опровержение высказанного факта по причине нахождения в культуре также немышечных тканей. Недавние исследования показали, что компоненты матрикса, а именно коллагены 1,3 и 4 типа могут синтезироваться стволовыми клетками сердца.

Таким образом можно сделать вывод, что миокард является сложноустроенной и очень важной для нормального функционирования человека мышцей, изучения генеза которого имеет большое значение для выделения патологий на клеточном уровне, наблюдения пороков сердца, обусловленных нарушениями развития.

Список литературы:

1. Бильдюг Н.Б. Роль внеклеточного матрикса в регуляции перестроек сократительного аппарата кардиомиоцитов в культуре:дис. … канд. биол. наук. – Санкт-Петербург, 2016. – С.140
2. Щепкин Д.В. Исследование вклада сердечного миозин-связывающего белка С во взаимодействие сократительных белков миокарда :дис. … канд. биол. наук. –Екатеринбург, 2011. – С.129
3. Степанова О.В., Чадин А.В., Раевская А.А., Иванова М.В., Бледжанс Д.А., Ширинский В.П. Активирующие миозин протеинкиназы в сердце человека:локализация в кардиомиоцитах и содержание в нормальном и патологическом миокарде // Кардиологический вестник. – 2008. - №2(15).- С.16-21
4. Sedmera D., Pexieder T., Vuillemin M., Thompson R. P., Anderson R. H. Developmental patterning of the myocardium // PubMed. – 2000. - Anat. Rec. 258,  P.319–337
5. David W. Staudt, Jiandong Liu, Kurt S. Thorn, Nico Stuurman, Michael Liebling and Didier Y. R. Stainier. High-resolution imaging of cardiomyocyte behavior reveals two distinct steps in ventricular trabeculation // Development. – 2014. - № 141(3). - P. 585-593
6. Meduniver.com: Все по медицине. URL: https://meduniver.com/Medical/gistologia/40.html (дата обращения: 03.04.2018)
7. Studfiles: Файловый архив студентов. Развитие сердца. Эмбриология, гистология, анатомия, физиология. URL: https://studfiles.net/preview/2705607/ (дата обращения: 15.04.2018)
8. 8.YAmedik. Поперечно-полосатые мышечные ткани. URL: http://yamedik.org/?p=36&c=gistologiya_embriologiya_i_citologiya/u4ebn_afon (дата обращения: 10.04.2018)