Сердце больше, чем просто мышца, оно снабжено, разными кардиальными и гладкими мышцами, клапанами. водителями ритма и клетками эндотелиального типа с дискретными контрактильными, электрическими и сосудистыми ролями (Figs. 1 and 2). Недавние исследования идентифицировали новый набор мультипотентных кардиальных предшественников, которые могут давать большинство из основных типов клеток сердца. Предпринимаются попытки трансплантации разных групп клеток предшественников взрослых (2-8). Считается. что клетки предшественники, выделенные вне сердца и трансплантированные во взрослое сердце, могут увеличиваться и интегрировать в интактную ткань миокарда и тем самым улучшать кардиальную функцию. К сожалению, результаты в основном неоднозначные, маргинальные или негативные, указывающие, что простые трансплантации взрослых не кардиальных предшественников и др. мышечных клеток в инфарктное сердце не способны приводить к существенным долговременным клиническим улучшениям (9). Уроки из этих клинических исследований работ на модельных животных (10-18) подчеркивают необходимость понимания биологической сложности эмбрионального кардиогенеза
.
Кардиогенез млекопитающих нуждается в генерации высоко отличного набора как мышечных, так и не мышечных типов клеток, включая атриальные и вентрикулярные кардиомиоциты; проводящую систему и клетки ритмоводителей; гладкие мышцы, эндотелиальные, клапанные и эндокардиальные клетки (19-21). Их образование связано с существованием близко родственных наборов мультипотентных клеток предшественников в сердечном поле ранних эмбрионов (22, 23), которые могут быть подразделены на клоны первичного поля сердца и secondary heart field (SHF) (Fig. 2) (19, 24-26). Первичное поле сердца возникает из передней части латеральной мезодермы и формирует группу сердечнососудистых предшественников, которые образуют сердечный серп у ранних эмбрионов. Позднее в развитии эти клетки сливается в линейную сердечную трубку и в конечном итоге дают левый желеудочек зрелого четырехкамерного сердца млекопитающих. SHF происходит из популяции клеток фарингаельной и спланхнической мезодермы, которые мигрируют в развивающееся сердца и дают правый желудочек, тракт оттока и часть тракта притока. Недавние исследования идентифицировали также набор мультипотентных эпикардиальных клеток предшественников, которые вносят вклад в атриальный и вентрикулярный миокард, коронарные гладкие мышцы, и кардиальные фибробласты (27,28). Кстати, невозможно выделить и охарактеризовать онтогенетический потенциал очищенных популяций предшественников первичного поля сердца из-за отсутствия молекулярных маркеров, уникальных для этого поля. Напротив, эксперименты по отслеживанию клонов продемонстрировали, что ранние SHF миокардиальные, гладкомышечные и эндотелиальные клетки могут быть отслежены до мультипотентных кардиальных предшественников, которые экспрессируют LIM-гомеодоменовый транскрипционный фактор Islet1 [Isl1 (Fig. 2)] (22,26,29). Клональный анализ с очищенными Isl1 предшественниками из эмбрионов или embryonic stem (ES) клеток также продемонстрировал способность одиночного SHF предшественника давать упомянутые выше три кардиальных клона (22, 23, 30). В параллельной серии экспериментов, сердце-специфический Nkx2.5 энхансер был использован для выделения бипотентных кардиальных предшественников из эмбрионов мышей , а также мышиных ES клеток (20). Сходным образом мезодермальный маркер Brachyury T в комбинации с маркером клеточной поверхности Flk1, был использован для обогащения популяции мультипотентных кардиальных предшественников из человеческих и мышиных ES клеток (30, 31). В отличие от Isl1 предшественников, однако Nkx2.5 предшественники и Flk1 предшественники скорее всего представляли гетерогенную смесь предшественников первичного и воторичного поля сердца. Неясно, возможна ли кардиальная регенерация левого желудочка, структуры, происходящей из первичного поля сердца, для этого нужны очищенные популяции предшественников первичного поля сердца.
Non-Cell-Autonomous Cues Control Lineage Specification and Expansion of Cardiac Progenitor Populations
Клетки кардиальных предшественников, которые возникают из первичного и вторичного полей сердца, оказываются подвержены действию быстро изменяющейся среды из-за клеточной миграции и изменений в трехмерной архитектуре примитивного сердаца. Развитие популяций кардиальных предшественников, следовательно, чувствительно к модулируемым во времени и пространстве вариациям не клеточно автономных сигнальных молекул, происходящих из соседнего эндотелия,эндокарда и др. клеток мезодермального происхождения в примитивном эмбриональном сердце. Эти сигналы действуют сочетанно, чтобы контролировать клональное предопределение и экспансию популяции предшественников. Развитие SHF, по-видимому, критически зависит от передачи сигналов bone morphogenic protein (BMP). BMP 2, 4, 6, и 7 обнаруживают перекрывающиеся паттерны экспрессии с Isl1, а условная делеция type I BMP рецептора Bmprla в Isl1 предшественниках вызывает множественные дефекты структур, происходящих из SHF (32). Сходным образом передача сигналов fibroblast growth factor (FGF) играет ключевую роль в формировании и последующем созревании SHF. FGF8 нулевые мутации, напр., ведут к эмбриональной летальности на ст. гаструляции; гипоморфные мутации вызывают множественные сердечно-сосудистые дефекты, затрагивающие прежде всего производные SHF, включая тракт оттока (33). Более того, нарушение передачи сигналов FGF внутри SHF за счет вызванной условиями инактивации FGF рецепторов FGFr1 или FGFr2 вызывает дефекты тракта оттока, ассоциированные с неспособностью секреции внеклеточного матрикса, а также неспособности передавать сигналы BMP и transforming growth factor (TGF)-β (34). Устранение FGF адапторной молекулы Frs2a в клетках предшественниках тракта оттока также ингибирует их экспансию и ведет к гипоплазии тракта оттока (35).
Во время поздних стадий кардиогенеза сильная экспансия кардиогенных клеток является критической, особенно для вентрикулярных камер. Увеличение мышечной массы необходимо, чтобы генерировать достаточную механическую работу для поддержания требований к кровотоку у экспоненциально растущего эмбриона. В тракте оттока эта экспансия тщательно контролируется клеточным клоном lslet-1 кардиальных предшественников fate map
Fig. 2. Multipotent heart progenitors in the Isll lineage. Early mesoderm-derived cardiac precursors give rise to progenitors in the first and second heart fields (FHF and SHF, respectively). The LIM-homeodomain transcription factor Isll marks a multipotent cardiovascular progenitor that can give rise to myocardium, conduction system, smooth muscle cells, and endothelial lineages. The developmental potential of FHF progenitors is not well established because of an absence of specific molecular markers for that field and an inability to isolate purified progenitor populations of that lineage. Recent work (48) has also identified a third multipotent set of epicardial progenitors that appears to arise from a very early Isll precursors and to express the transcription factors Tbxl8 or Wtl. TNT indicates troponin T; MHC, myosin heavy chain.
Fig. 3. Three-dimensional structure of ventricular muscle basket weave, coronary arterial tree, and pacemaker and conduction system. One of the central challenges of cell-based therapy for regenerating specific heart components is guiding transplanted cells into a functional syncytium with the existing three-dimensional architecture. Transplanted cells must make functional connections with neighboring specialized heart cells to result in a net gain of global function. Transplanted myogenic progenitors, for example, must align with and integrate into the existing ventricular muscle basket weave to allow synchronous contraction and relaxation of graft and host myocardium. Integration of pacemaker and conduction system progenitors into the appropriate tissue type is necessary to generate a biological pacemaker and avoid cardiac arrhythmia. For example, having a transplanted heart muscle progenitor integrate into the conduction system might have arrythmogenic consequences, as would the introduction of cells with independent pacemaker potential in the heart. Similarly, cell-based therapies to promote coronary collateral formation or neo-arteriogenesis require functional integration of transplanted cells with the host coronary arterial tree.
чтобы застраховать собственно ротацию и позиционирование аорты и легочной артерии, когда они формируют соединение с самим сердцем. Точное позиционирование аорты относительно камеры левого желудочка и легочной артерии относительно камеры правого желудочка является наиболее критической ступенью в кардиогенезе. Дефекты этого процесса являются наиболее распространенной причиной врожденных пороков сердца человека. растут доказательства, указывающие на то, что происходящие из Isl1 кардиальные предшественники играют жизненноважную роль. Хотя относительно мало известно о том. как специальные сигналы контролируют клеточную пролиферацию, недавние успехи указывают на то, что путь Wnt/β-catenin, по-видимому, играет критическую роль в экспансии Isl1 кардиальных предшественников и их дифференцированного потомства в правом желудочке и тракте оттока. Мутации с избыточной функцией β-catenin в клоне Isl1 предшественников приводят к массивной экспансии пула предшественников
in vivo (36-38). Т.о., установление клеточно неавтономных сигналов. которые регулируют кардиогенез
in vivo имеет большое значение для понимания нормального развития и генерации клеточных популяций, необходимых для регенеративной сердечно-сосудистой медицины. Наконец, различные комбинации сигнальных молекул FGF, BMP и Wnt используются для обеспечения кардиогенеза и расширения популяций кардиальных предшественников в мышиных и человеческих эмбриональных модельных системах (30, 31, 37).
Three-Dimensional Organizational Structure of Ventricular Muscle, Vascular Smooth Muscle, and Conduction System Muscle
Одной из наиболее неизведанных областей кардиогенеза является понимание. как дифференцированные типы клеток собираются в специфические трехмерные структуры взрослого сердца (Fig. 3). Что касается миокарда желудочков, то точное линейное расположение кардиальных миоцитов в перемежающихся слоях мышечных волокон формирует переплетения в мышечной ткани и заставляет мышечные волокна выстраиваться в соответствии с предназначением кровотока через тракт оттока. Такое выстраивание ткани выявляется на многих уровнях, от микроскопической шкалы сборки саркомеров до трехмерных структур камер желудочков (Fig. 4). В инфарктном сердце подобное расположение кардиальных мышечных волокон сильно дезорганизуется, с волокнами, исходящими под углом внутри того же самого слоя мышечных клеток, а также разрушается за счет тканевого фиброза. Учитывая нарушение организации волокон, становится всё более вероятным, что трансплантации кардиальных мышечных предшественников или их дифференцированного потомства в отсутствие сигналов, управляющих их соответствующим линейным расположением с нативной сердечной тканью, может не приводить к существенному улучшению общей сердечной функции. Недавно было предположено, что соединение миоцитов с соседними клетками, тканями и внеклеточным матриксом является результатом внешних сигналов, которые задают форму архитектуры вентрикулярных миоцитов. Это, по-видимому, сходно с наведением миграции клеток и образованием ламинарных слоев, которые окружают полости желудочков в развивающемся сердце (39, 40). Поддерживаются ли эти сигналы наведения в зрелом сердце, является важным вопросом, остающимся без ответа, поэтому при лечении, базирующемся на прямом введении кардиогенных клеток в инфарктное сердце, предполагается, что трансплантированные клетки д. поддерживать свою способность находить пути внутри миокарда, дифференцироваться и функционально интегрироваться в ткань хозяина (41).
Установление и поддержание кровотока через эпикардиальные коронарные артерии и через микроциркуляцию, мелкие сосуды, которые интеркалируются в собственно сердечную мышцу, является критическим для нормальной кардиальной функции и предупреждения недостаточности сердца (42, 43). Гладкие мышцы и эндотелий древа коронарных артерий собирается в виде лабиринта, который эффективно внедряется в целы миокард, но относительно мало известно о сигналах наведения, которые управляют их сборкой (Fig. 3). в
Сходным образом система проведения электрических сигналов обладает характерной трехмерной структурой, где инициируются сигналы сокращения сердца в sinoatrial узле и передаются посредством серии модифицированных мышечных клеток проводящей системы, чтобы доставлять электрические импульсы всему сердцу (Fig. 3). Понимание путей, управляющих нормальным развитием этих структур д. быть критическим для применения биологически нацеленных подходов к регенерации сердца.
The Road Ahead: Engineering Humanized Organ Model Systems
Чтобы выяснить биологическую сложность эмбрионального кардиогенеза и его всё увеличивающееся пересечение с сердечно-сосудистой регенеративной биологией, необходимы новые модельные системы, в которых могут быть проанализированы индивидуальные вариации типов клеток предшественников, сигналы внеклеточного матрикса, двух- и трехмерные структуры и тканевая функция в отношении их эффектов на глобальную физиологическую функцию
Fig. 4. Scaling of ventricular muscle. The assembly of ventricular muscle represents a scaling problem that spans several orders of spatial magnitude from the alignment of actin-myosin complexes within a sarcomere, their alignment in myofibrils, the organization of myofibrils in a myocyte, and the coupling between myocytes in anisotropic, laminar muscle. 2D and 3D indicate two- and three-dimensional, respectively.
интактного органа. Так как реконструкция среды всего многоклеточного сердца затруднительна, то недавние успехи подтверждают возможность искусственного получения специфических частей сердца, которые соответствуют вентрикулярным мышцам, проводящей системе и ритмоводителю, а также аспектам сосудистой гладкомышечной ткани (44-46).
Наконец, одной из центральных задач клеточной терапии по лечению сердечной недостаточности является идентификация оптимального типа клеток, чтобы управлять активно кардиальным миогенезом. Идеальным типом клеток д. быть клетки, полностью детерминированные к судьбе миогенных клеток и ещё сохраняющие способность к экспансии in vivo или in vitro. Кроме того, важна для интересующего типа клеток способность дифференцироваться в функциональную, генерирующую силу миокардиальную ткань. Хотя и идентифицированы мультипотентные кардиогенные предшественники из ex vivo и in vitro источников как у мышей. так и людей, не был идентифицирован такой предетерминированный миогенный предшественник из способного к возобновлению источника клеток. В дополнение к идентификации соответствующего типа(ов) клеток для тканевой регенерации было бы важно определить трехмерную структуру для управления клеточным ростом и дифференцировкой. Полная реконструкция кардиальной мышцы из бесклеточного кардиального матрикса была недавно продемонстрирована, это указывает на то, что могут существовать специфические матричные сигналы для сборки кардиальных предшественников и их нижестоящего дифференцированного потомства (47). в
Соединение технологий по преобразованию тканей с внедренными протоколами по генерации происходящих из ES клеток систем, базирующихся на кардиальных предшественника, подает огромные надежды эре сердечно-сосудистой регенеративной медицины. Разработка физиологических подходов к контрактильности, проведению и механической работе в отношении специфичных для пациентов кардиальных предшественников может позволить генерировать сердечную мышцу, которая обладает специфическим генетическим фоном, облегчающим прямой функциональный анализ роли специфических генетических вариаций в популяции людей, также как и новые подходы для скрининга и разработки лекарств. В этом отношении быстрые успехи в генерации inducible pluripotent stem (iPS) клеток из соматических клеток, таких как клетки кожи, увеличивают вероятность достижения успеха по тщательному фенотипированию ткани пациента. В будущем развитие специфичной для пациента сердечной ткани их iPS клеток может послужить в качестве прототипа для замещения частей, которое может проводиться in situ на тканевых компонентах благодаря успехам технологии устройств по доставке, что в конечном итоге послужит альтернативой прямым клеточным трансплантациям в поврежденный или больной миокард. Это будет новая эра, которой биология развития и регенеративная медицина соединятся для создания человеческих моделей сердечно-сосудистых болезней
(34).
Сайт создан в системе
uCoz
, Ibrahim J. Domian, Kevin Kit Parker