У эмбрионов птиц на стадии 7-10 сомитов формируется одиночная, задающая ритм (pacemaker) область в тракте притока сердца (IFT). Доминирование ритмоводителя возрастает вдоль передне-задней оси. Частота присущих сердцебиений также увеличивается вдоль этой оси. Как у птиц так и у млекопитающих сначала ритмоводитель обнаруживается с левой стороны, но вскоре, как только сформируется венозный синус, начинает доминировать правая сторона.
Direct conversion of quiescent cardiomyocytes to pacemaker cells by expression of Tbx18 Nidhi Kapoor, Wenbin Liang, Eduardo Marbбn & Hee Cheol Cho
Nature Biotechnology (2012) doi:10.1038/nbt.2465
Сердце человека состоит из приблизительно 10 биллионов клеток, но только 10000 или около того клеток ответственно за возникновение электрических импульсов, контролирующих сердцебиения. У стариков или при болезни сердца наступает недостаточность этих клеток ритмоводителей, нижестоящие мышечные клетки, которые вызывают сокращения, становятся неактивными. В настоящее время обычным лечением является питаемый от батареи электростимулятор, имплантируемый в сердце.
Nature Biotechnology (2012) doi:10.1038/nbt.2465
Сердцебиения возникают в синоатриальном узле (inoatrial node (SAN)), небольшой структуре, содержащей менее 10000 подлинных задающих ритм клеток. Если SAN функционально неспособен, то почти 5 биллионов работающих кардиомиоцитов, находящихся ниже его, становтся молчащими, что приводит к коллапсу кровообращения в отсутствие терапии с помощью электронного кардиостимулятора.
Исследователи из Cedars-Sinai Heart Institute в Los Angeles, California, создали нового типа ритмоводитель. Используя вирусный вектор, они вводили в сердце морских свинок ген Tbx18, который играет роль в становлении эмбриональных кардиальных клеток в клетки задающие ритм. Было продемонстрировано в этой работе превращение кардиомиоцитов грызунов в клетки SAN in vitro и in vivo с помощью экспрессии гена Tbx18, критического для ранней спецификации SAN. В течение нескольких дней in vivo после введения Tbx18, 9.2% трансдуцированных кардщиомиоцитов желудочка начинали обнаруживать спонтанное электрическое возбуждение, физиологически неотличимое от такового в клетках SAN, одновременно с появлением морфологических и эпигенетических признаков, характерных для клеток SAN. In vivo, фокальный перенос гена Tbx18 в желудочек сердца морских свинок приводит к эктопической задающей ритм (pacemaker) активности, корректирующей фенотип брадикардии. Миоциты. трансдуцированные in vivo приобретают кардинальную конусообразную морфологию и физиологию автоматических нативных клеток ритмоводителей SAN. Получение induced SAN задающих ритм (iSAN) клеток открывает новые перспективы в биоинженеринге ритмоводителей.
У эмбрионов человека длиной 10 мм и у эмбрионов крыс на 13-й день развития обнаруживается масса бледных клеток, располагающихся под эпикардом на уровне синусо-атриального соеднинения, идентифицируемая как клетки узла. Однако (Calvet-Marquez & Domenech-Mateu, 1995) уже на 11-й день развития у эмбрионов крыс обнаруживается аггрегация униформных клеток в основании латерального венозного клапана.
У 12-дневных эмбрионов в этом месте выявляются два типа клеток: маленькие клетки с нерегулярной формы ядрами, интенсивно окрашивающиеся толуидином голубым, и бледные клетки с элипсоидными ядрами и многочисленные промежуточные типы клеток. Темные клетки это незрелые кардиомиоциты, их цитоплазма содержит еще слабо развитые миофибрилы, расположенные параллельно, в которых выявляются только Z линии. Миофиламенты еще не имеют типичного гексагонального расположения. Цитоплазма содержит также палочковидные митохондрии, свободные рибосомы, микротрубочки и микрофиламенты. Бледные (узловые) клетки имеют светлую цитоплазму с небольшим числом органел, свободных рибосом и скудных миофибрил, которые имеют меньший диаметр их ориентация разнонаправленна. Большинство клеток синусо-атриального соединения у 12-дневных эмбрионов имеет промежуточные характеристики между миокардиоцитами и узелковыми клетками. Все типы клеток содержат многочисленные десмосомы и щелевые соединения.
На 14-й день миокардиоциты приобретают веретенообразную форму 8-10 микроМ в ширину и 25-30 - в длину. Узелковые клетки почти регулярной полигональной формы со средним диаметром 9 микроМ. Снижено количество промежуточных типов клеток.
На 16-й день миокардиоциты удлинняются до 50-70 микроМ, диаметр узелковых клеток увеличивается до 10-12 микроМ. В миокардиальных клетках отмечается увеличение количества огранелл и свободных рибосом, особенно в активных (сокращающихся) клетках. Клетки промежуточного типа все еще многочислены.
У 18-дневных плодов обнаруживается значительный пул узелковых клеток, однако все еще нет морфологического барьера между узлом и миокардом. Миокардиоциты характеризуются электронно-плотными ядрами очень нерегулярной формы и цитоплазмой, занятой хорошо развитыми миофибрилами, в которых Z-, A- I- линии, а в некоторых случаях и Н-исчерченность хорошо различимы. В цитоплазме обнаруживаются также среднего размера митохондрии, цистерны эндоплазматического ретикулема, маленький аппарат Гольджи и электрон-плотные пузырьки, атриал-специфические гранулы. Узелковые клетки имеют регулярные сфероидальные или пирифирмные ядра и бледную цитоплазму, которая содержит немного маленьких митохондрий и немного тонких миофиборил с обычным рисунком исчерченнности. Специфические гранулы никогда не обнаруживаются. Промежуточные клетки почти отсутствуют. Вблизи узла выявляются немногочисленные незрелые нервные волокна, ни одно из них не проникает в межклеточные пространства узла.
У 20 дневных плодов крыс миокардиоциты располагаются параллельно вокруг входа в предсердие, синусо-атриальный узел в виде кластера бледных клеток, питаемого многочисленными капилярами. Миокард содержит элипсоидные ядра и состоит из очень длинных тел клеток. Параллельные миофибриллы занимают большую часть цитоплазмы. Миофибрилы каждой клетки соединяются с миофибрилами соседней клетки с помощью fasciae adherentes . Между миофибрилами располагаются полиморфные митохондрии, цистерны эндоплазматического ретикулема, небольшые диктиосомы и специфические атриальные гранулы. По соседству с узлом кардиомиоциты более бледные с меньшим количеством миофибрил. Клетки узла очень нерегулярны. Видны широкие клеточные выпячивания из полигональных тел клеток. Ядра большие, сферические или элипсоидные, содержат очень светлый хроматин без гетерохроматиновых масс и многодольчаты ядрышки. Цитолпазма содержит палочковидные или круглые митохондрии, расширенные цистерны эндоплазматического ретикулема, мультивезикулярные тельца и свободные рибосомы. Миофибрилы тонкие с исченренностью, ориентированы в разные стороны. Часто концы миофибрил располагаются в верхушках клеточных выпячиваний и соединяются с миофибрилами других клеток с помощью небольших fasciae adherentes. Между оригинальными и узелковыми миокардиоцитами образуются многочисленные межклеточне контакты с помощью десмосом, щелевых соединений и слипчивых фасций. Эти соединения сходны в обоих типах клеток за исключением размера и распределения fasciae adherentes . У кардиомиоцитов они соединяют торцы клеток вместе с десмосомами и щелевыми мостиками, а у узелковых распределены случайно по клеточной поверхности. На границе узла миофибрилы узелковых клеток соединяются с таковыми миокардиоцитов. Многочисленные немиэлинизированные нервные волокна появляются в синусо-атриальном узле. Аксоны занимают большую част межклеточного пространства узла, однако презумптивные синапсы еще не сформировались.
Образование узла сопровождает формирование первичной межпредсердной перегородки не только у эмбрионов кур, но и у эмбрионов мыши и человека.
Происхождение
Существует предположение о возможном происхождении клеток узла из клеток нервного гребня, однако больше данных в пользу того, что миокардиоциты и клетки синусо-атриального узла происходят из одного предшественника, так как клетки нервного гребня впервые попадают в эмбриональное сердце кур на 4-й день развития, т.е. спустя длительное время после установления ЭКГ взрослого типа. Сходные указания на позднее появление клеток нервного гребня, экспрессирующих Leu-7 (HNK-1), получены и в сердце крыс.