WMZ: Z191701361450 WMR: R209318204033 |
Myocyte proliferation in the developing heart Developmental Dynamics Volume 240, Issue 6, pages 1322–1334, June 2011 Оригинал статьи Рисунки и Таблицы | |
Regulation of organ growth is critical during embryogenesis. At the cellular level, mechanisms controlling the size of individual embryonic organs include cell proliferation, differentiation, migration, and attrition through cell death. All these mechanisms play a role in cardiac morphogenesis, but experimental studies have shown that the major determinant of cardiac size during prenatal development is myocyte proliferation. As this proliferative capacity becomes severely restricted after birth, the number of cell divisions that occur during embryogenesis limits the growth potential of the postnatal heart. We summarize here current knowledge concerning regional control of myocyte proliferation as related to cardiac morphogenesis and dysmorphogenesis. There are significant spatial and temporal differences in rates of cell division, peaking during the preseptation period and then gradually decreasing toward birth. Analysis of regional rates of proliferation helps to explain the mechanics of ventricular septation, chamber morphogenesis, and the development of the cardiac conduction system. Proliferation rates are influenced by hemodynamic loading, and transduced by autocrine and paracrine signaling by means of growth factors. Understanding the biological response of the developing heart to such factors and physical forces will further our progress in engineering artificial myocardial tissues for heart repair and designing optimal treatment strategies for congenital heart disease. Developmental Dynamics 240:1322–1334, 2011.
|
На клеточном уровне механизмы, контролирующие размеры индивидуальных эмбриональных органов, включают клеточную пролиферацию, дифференцировку, миграцию и клеточную гибель. Все эти механизмы играют роль в кардиальном морфогенезе, но экспериментальные исследования показывают, что основным детерминантом размера сердца во время пренатального развития является пролиферация миоцитов (Clark et al., 1989; Saiki et al., 1997; Sedmera et al., 2002). Сердце взрослых традиционно рассматривается как постмитотический орган. Хотя сегодня ясно, что это не совсем правильно, всё ещё существует согласие, что большая часть пролиферации миоцитов происходит во время пренатального развития. Пролиферативная активность сердца не только увеличивает свой объем, чтобы справиться со всё возрастающими циркуляторными потребностями развивающегося эмбриона, но вместе с запрограммированной клеточной гибелью и миграцией является главным фактором формообразования развивающегося сердца. Многочисленные исследования с использованием разнообразных методологических подходов систематически картировали клеточную пролиферацию в разных компартментах во время развития. Поскольку некоторые из них довольно старые и не на английском языке, то мы сделаем обзор этих драгоценных битов информации, чтобы кстати суммировать находки и сделать их методологической директивой для исследователей, желающих анализировать пролиферацию с специфических компартментах сердца. Мы также рассмотрим некоторые исторические перспективы некоторых недавних исследований с использованием компьютеризированных методов, чтобы расшифровать пролиферативную структуру всего органа. METHODS OF ASSESSING CELL PROLIFERATION (см. Оригинал Статьи) DNA Labeling Рис.1. | Label dilution of [3H]-thymidine in chick embryonic heart.Label was applied on ED2, and the heart sampled at ED10. Most of the radiolabel detected by autoradiography is retained in the ventricular conduction system, while more rapidly dividing working myocardium diluted label through many rounds of cell division. Ao, aorta, LBB, left bundle branch, LV, left ventricle, RV, right ventricle. From Thompson et al. (2000). B: Illustration of different immunohistochemical techniques for myocyte proliferation. Bromodeoxyuridine labeling (secondary antibody in the green channel) gives all-or-nothing signal, and labels only cells passing through S-phase during the labeling period (2). Proliferating cell nuclear antigen (red channel) lingers in the nuclei for longer time, and labels also cells that recently completed karyokinesis or cytokinesis (1, 1?). Unlabeled nuclei (without counterstaining) appear as oval shadows in the autofluorescent cytoplasm (3). Sample from neonatal pig myocardium labeled for 2 hr with bromodeoxyuridine. C: Saturation labeling in the fetal heart. Sections from rat embryonic heart labeled by means of Alzet osmotic mini-pump from ED17.5 to ED18.5. While almost all nuclei are labeled in the compact myocardium (Co), the trabeculae (Tr) show much lower labeling. Central conduction system in the interventricular septum (IVS) stands out by its paucity of label. Arrow points to left bundle branch (compare with panel A, where this structure, in a different species, is also distinguished by its low proliferation). Note also that the working myocardium of the interventricular septum shows similar labeling intensity as the compact myocardium (see also Fig. 2B for comparison with fetal chick data). Intrinsic Markers of Cell Proliferation Table 1. Overview of Commonly Used Techniques for Studying Myocyte Proliferationa Care should be taken to use an unambiguous (preferably nuclear) myocyte marker, as it is otherwise difficult to distinguish in vivo myocytes from non-myocytes (Dowell et al., 2003). Viral and Genetic Techniques DEVELOPMENTAL CHANGES IN RATES OF MYOCYTE PROLIFERATION Embryonic Period Теперь рассмотрим динамику пролиферации миоцитов во время развития. Во время самого раннего периода функционирования сердца, перед пиком пролиферации на эмбриональный день 3-4 (у эмбрионов кур, Fig. 2a), трубчатое сердце растет первоначально за счет добавления вновь детерминируемых мезенхимных клеток (Moorman et al., 2010), чья высокая пролиферативная активность снижается, как только они начинают синтезировать сократительные белки, чтобы стать функциональными кардиомиоцитами (Kelly et al., 2001; Sedmera et al., 2003a). В целом пролиферативная активность обратным образом связана с уровнем клеточной дифференцировки. Т.о., скорость клеточной пролиферации наивысшая на ранних, менее дифференцированных стадиях развития (ballooning период формирования камер, Moorman et al., 2010) и затем снижается моменту рождения или вылупления (Fig. 2). Имеется короткий острый выступ в раннем постнатальном развитии, во время адаптаций к постнатальным изменениям кровообращения, сопровождаемым по-существу длительным арестом клеточных циклов. Рис.2. | Figure 2. Quantitative data of developmental trends in myocyte proliferation. A: Data from the entire chick embryonic heart (labeling with radioactive thymidine for 45 min show the peak in labeling index between embryonic day 3 and 4. B: Historical data of mitotic counts from chick embryonic heart showing similar declining trend from peak at embryonic day 4 toward hatching in both ventricles. This graph also shows clearly that the forming interventricular septum is distinguished by its low proliferative activity, while after completion of septation it behaves as the rest of the working myocardium. C: Regional differences in myocyte labeling in developing rat heart. Note the difference between the compact zone and the trabeculae as well as gradual decrease toward birth. D: Values from 2-hr bromodeoxyuridine labeling in the preseptation chick heart show decreasing gradient between the compact myocardium and trabeculae as well as decline in labeling with advancing development. The trends are identical in both left and right ventricle. Regional Differences in Cardiac Morphogenesis Картина постепенного уменьшения пролиферативной активности во время развития была отмечена несколькими исследователями, включая Ivan Cameron у кур (Jeter and Cameron, 1971) и Pavel Rumyantsev у крыс (Rumyantsev, 1982). Др. интересные временные паттерны были выявлены, когда отслеживали пролиферативную активность с течением времени в разных компартментах сердца. Путь от простого трубчатого сердца, подпитываемого с помощью диффузии из своего просвета, к зрелым желудочкам, подпитываемым со стороны с помощью коронарных сосудов, не является прямолинейным. Трабекулы желудочков сначала появляются в виде губко-образной сети хорошо дифференцированных мышц, вообще-то они способны наращивать миокардиальную массу в отсутствие коронарного кровоснабжения (Minot, 1901). Ранние трабекулы желудочков представляют собой миокардиальные слои со щелями (Icardo and Fernandez-Teran, 1987; Sedmera et al., 1997), которые выглядят на гистологических срезах как пальцеподобные (или ворсинчатыми) выпячиваниями из стенки желудочков (Marchionni, 1995). Трабекулы не только снижают расстояния диффузии для кислорода и питательных веществ, но и также играют роль в электрическом проведении (de Jong et al., 1992). У кур они также вносят вклад в образование перегородки между желудочками. Dieter Grohmann (Grohmann, 1961) отмечал, что формирование межжелудочковой перегородки у кур сопровождается низкой митотической активностью, т.к. она возникает в результате слияния медленно растущих трабекул желудочка (Harh and Paul, 1975; Ben-Shachar et al., 1985). Различия между вентрикулярным компактным миокардом и трабекулами (Fig. 1C) также обнаруживают тенденцию к уменьшению с прогрессом развития и уплотнением трабекул (Fig. 2D). Как только начинается образование перегородки и компакция трабекул, мускулатура перегородки приобретает кинетику почти работающего вентрикулярного миокарда, сокращающегося с высокой скоростью (Fig. 2B). Развивающаяся проводящая система выделяется своей низкой пролиферативной активностью у кур (Cheng et al., 1999), мышей (Erokhina and Rumyantsev, 1988; Sedmera et al., 2003a) и крыс (Thompson et al., 1995).
Дифференциальный рост регионов внутри одного и того же компартмента важен для формовки всего органа. Пролиферативные регионы внутри вентрикулярных свободных стенок (Fig. 3), определяемые с помощью подсчета митозов Klaus Goerttler (Goerttler, 1956) и Rychter с сотр. (Rychterova, 1978; Rychter et al., 1979) и с помощью мечения BrdU (Thompson et al., 1990b), прекрасно проиллюстрированы в лаб. Moorman с использованием трехмерного представления (van den Berg et al., 2009). Региональные различия существуют даже поперек вентрикулярной стенки, с наивысшей пролиферативной активностью в пристеночной (parietal) компактной зоне (Sedmera et al., 2002), низкой пролиферацией в трабекулах (Fig. 2D), и практически нулевой в окончательно дифференцированных частях центральной проводящей системы (Mikawa et al., 1992; Cheng et al., 1999). Эти локальные отличия подтверждаются анализом формы клонов, происходящих из одиночных миоцитов (Meilhac et al., 2003), это указывает на то, что рост и формообразование вентрикулярного миокарда происходит центростремительно, т.e., с помощью присоединения новых клеток (Jeter and Cameron, 1971) и за счет "раздувания" камер желудочков в период формирования камер сердца (Moorman and Christoffels, 2003). Рис.3. | Organization of lymphatic vasculature. Figure 3. Differences in myocyte proliferation in the compact zone at the organ level. Two proliferative centers (black) in the apices of prospective left and right ventricle, together with lower activity in the interventricular septum (*), were noted by Rychter et al. (1979). Similar data (high proliferative activity in red, slowly dividing septum, *), together with regions of low myocyte proliferation in the atrioventricular canal and the outflow tract (blue) were recently reported by van den Berg et al. (2009). Postnatal Myocyte Proliferation Как упоминалось ранее, пролиферация миоцитов существенно останавливается сразу после рождения или вылупления и дальнейший рост в объеме миокардиальных компартментов происходит за счёт увеличения размеров клеток (гипертрофии). Как у кур, так и у крыс этот переход довольно резкий (Clubb and Bishop, 1984; Kellerman et al., 1992; Kajstura et al., 1995a; Li et al., 1996). Однако индуцированный рост во время этого периода (такой, как происходящий после экспериментальных изменений в механической нагрузке) всё ещё базируется, по крайней мере, частично на клеточной пролиферации (Sedmera et al., 2003b). Недавно было показано, что ранний неонатальный период у мышей находится в привилегированном положении относительно регенеративной способности миоцитов (Porrello et al., 2011) , приближаясь к таковому в низших позвоночных, таких как рыбки данио (Lepilina et al., 2006; Kikuchi et al., 2010). Это указывает на то, что ранние корректирующие хирургические вмешательства д. быть потенциально более благоприятны благодаря компенсаторному росту, которого невозможно достичь во время поздних вмешательств, этим облегчаются осуществимость таких процедур по ранней репарации двух желудочков в случаях умеренного синдрома гипоплазии левого сердца (Foker et al., 1999; Tchervenkov et al., 2000). CELL CYCLE CHECKPOINTS Postnatal Proliferative Block Что заставляет миоциты делиться интересно, но что заставляет их прекращать деления удивительно. Митотический блок постнатальных миоцитов в целом приписывается ингибированию циклинов и циклин-зависимых киназ (Horky et al., 1997; Brooks et al., 1998; Burton et al., 1999; Nagahama et al., 2001). Существуют и др. контрольные механизмы, которые могут останавливать кардиальные миоциты в G0 фазе клеточного цикла, такие как белок опухолевого супрессора p16ink, ассоциированный с клеточным старением (Kajstura et al., 2010), циклин-зависимый киназный ингибитор p21 (Poolman and Brooks, 1998), белок опухолевого супрессора p53 (Liu et al., 2010b) и его активатор p14ARF или ретинобластомный белок (Brooks et al., 1998), который д. быть фосфорилирован с помощью cyclin D-cdk4/6, чтобы способствовать гипертрофии постнатальных миоцитов (Hinrichsen et al., 2008). Недавнее исследование in vitro дифференцированных предсердных и вентрикулярных миоцитов крыс и мышей подтвердило, что p21, p53 и 14-3-3 регуляторы клеточного цикла являются ключевыми факторами, поддерживающими миоциты в G0 фазе (Zhang et al., 2010). Полуколичественная иммуногистохимия показала, что их подавление во время дедифференцировки миоцитов в культуре и последующего повторного вступления в клеточный цикл. Это исследование также показало, что миоциты предсердий, экспрессирующие небольшие количества этих ингибиторов, оказываются более подготовленными к возобновлению пролиферации. Передача сигналов Notch, как было установлено, также способна возобновлять деления покоящихся клеток, происходящих из эмбриональных стволовых клеток, и вентрикулярных миоцитов новорожденных благодаря её действию на cyclin D (Campa et al., 2008). Подавление транскрипционного фактора C/EBP? оказывается ассоциированным с повторным вступлением в клеточный цикл во время миокардиального роста, вызванного упражнениями (Bostrom et al., 2010). Эта пролиферация, как было установлено, обеспечивается частично с помощью усиления активности CITED4. Др. контролирующий механизм, по-видимому, участвует в поддержании постнатальной гипертрофии (Li et al., 1998; Poolman and Brooks, 1998). В противоположность этому изобилию молекулярных игроков, роль эпигенетических факторов, включая напряжение кислорода, механическую нагрузку или метаболические изменения, которые обнаруживают выраженные изменения во время созревания постнатальных миоцитов, остается изученной не до конца. Embryonic Cell Cycle Arrest and Development of Conduction System Какие силы в точности определяют популяцию эмбриональных кардиомиоцитов, предназначенных стать проводящей системой, чтобы драматически снижать и даже останавливать их пролиферацию в специфические моменты времени среди их быстро делящихся соседей, в самом деле, загадка. Поскольку имеются медленно возникающие молекулярные отпечатки генов, дифференциально экспрессирующихся в кардиальной проводящей системе (Mommersteeg et al., 2007; Aanhaanen et al., 2009), то мало внимания было уделено связи между ними и пролиферацией миоцитов. Самые ранние предшественники вентрикулярной проводящей системы происходят из внутреннего клеточного слоя тубулярного одиночного желудочка; некоторый выход из клеточного цикла постоянно происходит во время кардиального петлеобразования (ст. 13 у эмбрионов кур), до того как какая-либо известная внекардиальная популяция клеток достигнет сердца (Thompson et al., 1990b, 2000, 2003). Это подтверждает локальный механизм контроля, вообще-то за счет более высокого механического натяжения (strain) ткани(Damon et al., 2009), или передачи сигналов от эндокарда (Gourdie et al., 2003). Хотя остается трудным разделить эти две возможности in vivo, недавние эксперименты с ненагруженными сердцами эмбрионов кур в культуре показали, что пассивное растяжение миоцитов скорее, чем зависимая от касательного напряжения сдвига передача сигналов от эндокарда, является достаточным, чтобы стимулировать дифференцировку первичного кольца миокарда (Sankova et al., 2010). У кур рекрутирование работающих миоцитов в проводящий клон происходит в ходе развития, при этом более дистальные волокна Пуркинье добавляются в последнюю треть инкубации, т.к. их пролиферация замедляется или останавливается (Thompson et al., 2000). Эта гипотеза дистального рекрутирования, базирующаяся на исследовании эмбрионов кур (Cheng et al., 1999), была поставлена под сомнение недавними результатами клонального анализа вентрикулярных миоцитов у трансгенных мышей, у которых LacZ случайно активировался в кардиомиоцитах и возникающие в результате размеры клонов позволяли подсчитать пролиферативную историю клеток в разных компартментах миокарда (Miquerol et al., 2010); маленькие клоны клеток были обнаружены ограниченными проводящими тканями, это подтверждает, что не существует нулевой пролиферативной активности, происходящей даже после детерминации проводящего клона. Однако сравнение их размеров с более крупными клонами, обнаруживаемыми в работающем миокарде подтверждает, что медленная пролиферация определенно общая тема образования проводящей системы у птиц и млекопитающих. Результаты клонального анализа и пролиферативной истории, как связанных с кардиальным ростом и образованием проводящей системы, недавно были рассмотрены и объединены Moorman с сотр. (Moorman et al., 2010). Long-Term Kinetic of Ventricular Conduction System Долговременные исследования по отслеживанию судьбы рано возбуждающихся миоцитов вентрикулярной проводящей системы проводились на всем протяжении жизни животных. В расширение наших ранних исследований (Thompson et al., 2000), группа из 81 эмбриона кур была импульсно мечена одним микрокюри [3H]-thymidine на 3 день эмбриогенеза (Hamburger-Hamilton Stage 15) и отбиралась на разных стадиях во время инкубации и на 1, 10, 30, 100 и 300 день постнатального развития. Неизменно сильно меченные клетки (с 15-30 зернышками на ядро) обнаруживались в пучке Гиса, его бифуркации и проксимальных частях веточек пучка. Не получено доказательств делений, определяемых с помощью 24-ч мечения bromodeoxyuridine, или снижения количества зернышек в большинстве сильно меченных пренатально клеток. Сравнение количества зернышек в миоцитах с теми, что в ядрах двигательных нейронов в нервной трубке подтвердило, что один раунд ядерных делений может происходить в меченных миоцитах в течение 10 дней после вылупления. Это было подтверждено редким появлением BrdU-позитивных ядер с тяжелой тимидиновой меткой, обычно два ядра в одной клетке, указывающих на образование двух ядер без цитокинеза. В более поздней жизни (дни 30-300; Fig. 4), наблюдалось лишь постепенное снижение количества меченных клеток в серийных срезах, распространяющихся на вентрикулярную проводящую систему. Это было, скорее всего, обусловлено апоптозом, который обнаруживается с низкой интенсивностью (менее одного на 1,000 TUNEL (terminal deoxynucleotidyl transferase-mediated deoxyuridinetriphosphate nick end-labeling) -позитивных клеток) в миокарде, включая проводящие пучки. Не получено доказательств возобновления синтеза ДНК после 30 дней в кардиомиоцитах проводящей системы. Рис.4. | Organization of lymphatic vasculature. Figure 4. Persistence of labeled cells in the ventricular conduction system in the chick. There is a gradual decrease in heavily labeled cells (over 10 grains per nucleus) with postnatal development, but both these and less intensively labeled cells can be found into adulthood, ten months after hatching. Values are means from three hearts, counting grains per nucleus in every tenth section (see Thompson et al., 2000). MYOCYTE REGENERATION POTENTIAL Тема регенерации сердца сегодня чрезвычайно противоречива (Rosenthal and Harvey, 2010). Во время последних двух десятилетий произошел сдвиг парадигмы от рассмотрения миокарда взрослых как целиком постмитотического (единственной популяцией клеток, способной к пролиферации, являются фибробласты, как доказательство образование рубцов после инфаркта миокарда), до принятия потенциально важной роли продолжающейся пролиферации и дифференцировки миоцитов из резидентных стволовых клеток для поддержания гомеостаза. Недавно было постулировано (Zhang et al., 2010), что клеточным материалом для регенерации может быть (i) резидентные кардиальные стволовые клетки, (ii) стволовые клетки, происходящие из костного мозга, и/или (iii) стволовые клетки, возникающие в результате де-дифференцировки существующих кардиомиоцитов. Cell Cycle Re-entry in Adult Myocytes Ранние исследования модели инфаркта у крыс показали, что существует небольшая пролиферативная активность миоцитов, которая может увеличиваться в некоторых компартментах после экспериментальных пертурбаций (Rumyantsev and Kassem, 1976). Затем было постулировано, исходя из скоростей запрограммированной клеточной гибели ( апоптоза) в нормальном миокарде, что кардиальная мышца д. каким-то образом осуществлять замену в течение месяцев или нескольких лет в зависимости от возраста и изученного вида, а также от использованной техники для детекции гибнущих клеток (Kajstura et al., 1995b, 1996). Клеточные деления настоящих кардиомиоцитов наблюдались у ранних эмбрионов кур (Manasek, 1968), при патологических условиях, таких как недостаточность сердца (Anversa et al., 1998; Kajstura et al., 1998), а также в нормальных сердцах при очень высоких количествах подсчитанных клеток (порядка десятков тысяч для детекции как клеточной гибели, так и клеточных делений, т.к. это действительно очень редкие события). Resident Cardiac Stem Cells Открытие кластеров клеток, которые негативны в отношении традиционных маркеров миоцитов, таких как контрактильные белки, но позитивные по маркером стволовых клеток, таким как c-kit (Beltrami et al., 2003) внесло важный вклад в выяснение этой истории. В самом деле, хорошо дифференцированные двуядерные работающие миоциты не обнаруживали повторного вступления в клеточный цикл, но эти клетки, отловленные в процессе синтеза ДНК, по-видимому, являются новыми, малыми миоцитами, возможно происходящими из этих резидентных стволовых клеток. Альтернативный искусный подход с использованием радиоуглерода, датирующего нормальные ткани человека до и после эры атомного оружия, показал, что существенное количество миоцитов, по-видимому, моложе, чем индивид (Bergmann et al., 2009). Подсчитанная скорость замены была обнаружена ниже 1% у молодых до менее, чем половины процента у старых, подтверждая тем самым, что даже взрослый миокард обладает способностью к самообновлению. Уникальное исследование пациентов, обработанных iododeoxyuridine для выявления рака выявило существенные различия между индивидуальными пациентами, но это при очень долговременном (недели) "насыщяющем мечении" обнаружены доли позитивных ядер миоцитов между 2.5 и 46%, указывающие скорее на активный оборот миоцитов с периодом полужизни между 4 и 8 годами (Kajstura et al., 2010). Придирчиво разработанные контрольные эксперименты, исследующие альтернативные объяснения, исключили повышенную плоидность миоцитов или слияния клеток в количественном отношении как важные объяснения этим наблюдениям. Несмотря на скорее атипичную человеческую популяцию и малый размер выборки (8), эти количества (существенно выше, чем те, продемонстрированные в исследовании с радиоуглеродом Bergman с сотр.) четко показали, что сердца взрослых млекопитающих обладают достоверным потенциалом самообновления. Остается важный вопрос, может ли и как этот потенциал быть использованным для регенерации потерянного миокарда после инфаркта миокарда. Генетические исследования по картированию судеб у мышей (Hsieh et al., 2007) показали, что поскольку стволовые клетки вносят вклад в замещение миоцитов после повреждений, то они играют основную роль и в нормальном гомеостазе и в обновлении во время старения. Эти указания вместе с приведенными выше наблюдениями, показавшими пролиферативную способность взрослых кардиомиоцитов достаточны, чтобы гарантировать физиологическое обновление. Обзор исследований у взрослых относительного вклада дифференцированных кардиомиоцитов и мультипотентных сердечно-сосудистых клеток предшественников недавно представлен Sturzu and Wu (2011). Возможные молекулярные игроки способны заставить взрослые миоциты повторно вступать в клеточный цикл рассмотрены далее. Myocytes From Other Sources? Источники клеток вне сердца, такие как стволовые клетки костного мозга, считались благоприятными после инфаркта 10 лет назад (Orlic et al., 2001a, b, c; Dawn et al., 2005), но последующие клинические испытания на людях показали, что такие эффекты, хотя и реальны и устойчивы, являются довольно скромными и, скорее всего, обусловлены паракринными факторами, продуцируемыми трансплантируемыми клетками скорее, чем добавлением существенной массы "нового" миокарда из трансплантата (summarized by Jiang et al., 2010). Экспериментальные исследования др. лаб. показали, что кардиогенный потенциал гематопоэтических клеток, особенно in vivo, может быть преувеличенным и предполагает или слияние клеток (Alvarez-Dolado et al., 2003) в качестве возможного объяснения наблюдений в лаб. Anversa lab, или, что присутствие переносимых кровообращением клеток в миокарде после инфаркта не подразумевает, что они дифференцируются в миоциты (Balsam et al., 2004; Murry et al., 2004). Ясно, что более фундаментальные вопросы д. быть решены прежде чем будет достигнута регенерация миокарда, сравнимая с ампутационной моделью у рыбок данио (Lepilina et al., 2006), которая может рассматриваться как клинически значимая модель инфаркта миокарда у млекопитающих. Одним из шагов в этом направлении является наблюдение способности однодневных мышей регенерировать ампутированную верхушку желудочка, способность, теряемая спустя неделю после рождения (Porrello et al., 2011).
Одним из нерешенных вопросов, который необходимо затронуть, это действительный онтогенетический источник этих резидентных стволовых клеток: на ранней ст. трубчатого сердца, отсутствуют доказательства, что не миоциты вкраплены в ранний миокард; хотя возможно, что их источник находится вне сердца. Возможными вкладчиками могут быть (1) клетки, происходящие из эпикарда, которые, как было установлено, способны дифференцироваться в миоциты in vitro (Kruithof et al., 2006), хотя возникают споры о пригодности этого механизма in vivo (Christoffels et al., 2009); (2) клетки нервного гребня, которые , как известно, мультипотентны (Yelbuz et al., 2003; Sieber-Blum et al., 2004; Kirby, 2007; Krejci and Grim, 2010) и вносят вклад во многие типы клеток в сердце; или (3) клетки, происходящие из кровообращения (возможно возникающие в костном мозге или др. местах гематопоэза), как было установлено, преимущественно проникают в околососудистые нишы во время второй половины инкубации в системе парабиоза перепел-курица (Zhang et al., 2006).
Напротив, находящиеся в сердце стволовые клетки могут происходить из миоцитов в результате их дедифференцировки, как показано in vitro (Zhang et al., 2010). Такое решение может быть продиктовано локальными микроусловиями, поскольку физические факторы, такие как низкий уровень кислорода и доступности питательных веществ, как известно, вносят вклад в обращение судьбы работающих миоцитов. Др. возможность заключается во вкладе клеток из вторичного поля сердца, экспрессирующих Isl1 (Cai et al., 2003; Zhou et al., 2008), которые, как было установлено, вносят вклад во многие кардиальные клоны (миоциты, гладкомышечные клетки, эндотелий и эпикард). MOLECULAR CONTROL MECHANISMS OF MYOCYTE PROLIFERATION Adult Myocytes Регуляция пролиферации остается одним из основных вопросов биологии развития сердечной мышцы (Pasumarthi and Field, 2002), особенно в связи с репарацией сердца (Oh et al., 2004). Интересующиеся д. обратиться к др. обзорам, сконцентрированным на пролиферации клеток после инфаркта (Dowell et al., 2003), во время регенерации у взрослых животных (Rubart and Field, 2006) или во время развития (Moorman et al., 2010). Постнатальный арест клеточного цикла, по-видимому, видоспецифичен (Wills et al., 2008) и потенциально обратим, на что указывает существенная эндогенная регенеративная способность сердца рыб в ответ на повреждения (Lepilina et al., 2006). Недавние эксперименты на рыбках данио пролили некоторый свет на клеточную природу этого процесса. Ампутация части желудочка ведет к дедифференцировке и пролиферации миоцитов с вовлечением polo-like kinase 1 (Jopling et al., 2010). Эти вновь сгенерированные миоциты становятся электрически купированы с оставшейся частью желудочка в течение месяца после повреждения (Kikuchi et al., 2010). Недавние исследования на млекопитающих также продемонстрировали, что взрослые миоциты могут быть побуждены пролиферировать путем ингибирования p38 mitogen-activated protein kinase или стимулирования с помощью fibroblast growth factor-1 (FGF1) (Engel et al., 2005), с помощью стимуляции periostin (Kuhn et al., 2007) или с помощью сигнального каскада neuregulin/ErbB (Bersell et al., 2009). Такие исследования также подчеркивают, что разные сигнальные пути регулируют пролиферацию миоцитов во время нормального развития, также как и во время ремоделирования. Regulation of Growth in Prenatal Development Множественные исследования как in vivo, так и in vitro, согласуются с жизненно важной ролью каскада FGF/FGF receptor (FGFR) в незрелых миоцитах (Speir et al., 1992; Sugi et al., 1993, 1995; Kardami et al., 1995; Mima et al., 1995; Sheikh et al., 1999; Franciosi et al., 2000; Lavine et al., 2005). Среди 23 членов семейства FGF и 4 разных FGF рецепторов, FGF2 и FGFR1 являются одними из наиболее часто задействованных. Мы показали недавно, что добавление экзогенных истощенных по FGF2 может восстанавливать пролиферацию миоцитов в контексте экспериментальной гипоплазии левого желудочка, указывая на терапевтический потенциал растворимых факторов, контролирующих пролиферацию миоцитов (Dealmeida and Sedmera, 2009).
Источниками таких ростовых факторов могут быть многие. Они продуцируются самими миоцитами и высвобождаются в ответ на повышенное растяжение (Clarke et al., 1995). Эпикард часто упоминается в качестве источника сигнальных молекул, модулирующих пролиферацию миоцитов, напр., ретиноевой кислоты (Chen et al., 2002) и PDGF (Kang et al., 2008). Вообще-то не удивительно разнообразие иных молекул, влияющих на пролиферацию миоцитов, что доказывается часто летальными фенотипами в результате их делеции. В некоторых случаях неясно, являются ли эти эффекты первичными или вторичными, поскольку пролиферация миоцитов интимно связана с кардиальной функцией и должна, конечно, снижаться перед эмбриональной гибелью. Некоторые молекулы, происходящие из эндокарда, такие как endothelin или neuregulin с их сигнальными каскадами, необходимы как для пролиферации, так и дифференцировки в миокард камер (Asai et al., 2010) или для образования трабекул (Liu et al., 2010a). Передача сигналов neuregulin1 посредством своих рецепторов ErbB2 и ErbB4, вместе с FGF1 и periostin, также способны индуцировать пролиферацию миоцитов взрослых крыс in vitro (Bersell et al., 2009). В таблице 2, мы собрали доказательства для сигналов ростовых факторов, затрагивающих пролиферацию миоцитов как в развивающихся, так и взрослых кардиомиоцитах. Table 2. Growth Factors Affecting Myocyte Proliferation Epigenetic Control Mechanisms Механическая нагрузка является важным эпигенетическим фактором, влияющим на рост миокарда. Подобно скелетным мышцам миокард адаптируется к повышенным функциональным нагрузкам или за счет гиперплазии во время пренатального периода (Clark et al., 1989; Saiki et al., 1997) или гипертрофии у взрослых. Это верно также для роста миоцитов в культуре, который обнаруживает более высокие скорости пролиферации и дифференцировки, если соотв. растягивается (Miller et al., 2000). Даже в отсутствие детальных знаний о молекулярной природе таких сигналов, чувствительных к натяжению, обсуждается Damon et al. (2009), механические нагрузки или использование различных кондиционных сред может быть использовано для генерации искусственных миокардиальных конструкций (Evans et al., 2003). Как только достигается критическая толщина приблизительно в 50-100 микрон, для дальнейшего роста становится необходимым кровоснабжение. В самом деле, в миокардиальных конструкциях в неподвижных биореакторах гипоксия, по-видимому, является ограничивающим фактором после достижения толщины приблизительно в 150 микрон (Radisic et al., 2005; Tobita et al., 2006).
Обычно процесс роста миокарда и коронарных сосудов тесно связаны (Tomanek et al., 1999). Интересно, что факторы, контролирующие рост этих двух компартментов сходны, при этом FGF2 выступает в качестве основного игрока (Tomanek et al., 1996, 2008; Lavine and Ornitz, 2009). Это не удивительно, поскольку и миокард и сосудистые ткани происходят из мезодермы и, следовательно, скорее всего, будут отвечать на одинаковые стимулы одинаковым способом.
In conclusion, myocyte proliferation in the developing heart certainly plays a critical role in growth, morphogenesis, and remodeling of the organ. It is also an important part of the equation controlling homeostasis in the adult. Because of the complexity of the patterns and pronounced differences between developmental periods, care must be taken in designing studies to measure its rate. Identification of control mechanisms, as well as those directing the exit from the cell cycle, will help in designing strategies for repair of diseased adult myocardium, including formation of artificial myocardial tissue.
|