De la Departamentul de Fiziologie Medicală, Universitatea Medical Center Utrecht, Utrecht, Olanda.

De la Departamentul de Fiziologie Medicală, Universitatea Medical Center Utrecht, Utrecht, Olanda.

Abstract

Abstract—Connexinele, moleculele de proteine ​​care formează canale de joncțiune gap, sunt reduse ca număr sau redistribuite de pe discuri intercalate la frontierele laterale ale celulelor într-o varietate de boli cardiace. Această „remodelare a joncțiunii gap” este considerată aritmogenă. Folosind un model simplu de miocard ventricular uman, am constatat că datele cantitative de remodelare extrase din literatură au dat naștere doar modificărilor mici până la moderate ale vitezei de conducere și ale raportului de anizotropie. În special pentru conducerea longitudinală, rezistența citoplasmatică (și, prin urmare, geometria celulară) este mult mai importantă decât se realizează în mod obișnuit. Niciunul dintre datele de remodelare nu a dat naștere la o conducție lentă de ordinul câtorva centimetri pe secundă.

Joncțiunile gap, structuri de membrană specializate constând din rețele de canale intercelulare, conectează celulele adiacente în multe țesuturi și organe, asigurând astfel comunicarea chimică și electrică. În inimă, joncțiunile gap asigură căile pentru fluxul intercelular de curent, permițând o propagare coordonată a potențialului de acțiune. Recent, au fost publicate numeroase rapoarte care sugerează că modificările distribuției joncțiunii decalajului, densității și proprietăților pot fi implicate în inițierea și persistența diferitelor aritmii cardiace. În prezenta analiză, rezumăm datele prezentate în aceste rapoarte și discutăm implicațiile funcționale.

Structura și proprietățile canalelor de joncțiune gap

În ultimul deceniu, structura și proprietățile canalelor de joncțiune gap au fost documentate pe larg, după cum sa discutat în mai multe recenzii recente. 1 2 3 4

Canalele de joncțiune ale mamiferelor sunt construite din conexine codificate de o familie de gene strâns legate. Toate conexinele sunt formate din 4 segmente de membrană α-elicoidală foarte conservate, separate prin 2 bucle extracelulare și 1 intracelulară. Terminalele amino și carboxi sunt situate intracelular. Au fost identificați cincisprezece membri ai familiei conexinei mamiferelor. Acestea diferă în principal prin secvența buclelor lor intracelulare și a terminalelor carboxi. Între cardiomiocite, au fost detectate 3 conexine la nivel de proteine: conexin40 (Cx40), conexin43 (Cx43) și conexin45 (Cx45) (denumite după masa moleculară putativă din kilodaltoni).

Un canal de joncțiune gap este format de andocarea cap la cap a 2 hemicanale (conexoni), fiecare compusă din 6 molecule de conexină dispuse hexagonal în jurul unui por apos. Deoarece andocarea este mediată de bucle extracelulare relativ conservate, multe conexoane compuse dintr-un singur tip de conexină se pot combina cu conexoane formate din alte conexine pentru a forma canale de joncțiune gap heterotipice. Un conexon poate fi, de asemenea, compus din diferite conexine 5 (conexon heteromeric). În inimă, diferite conexine se colocalizează în plăcile de joncțiune gap, dar nu se știe dacă există canale de joncțiune gap eterotipice și/sau heteromere în sistemul cardiovascular.

Canalele de joncțiune gap sunt permeabile substanțelor cu o greutate moleculară de +] i 6 și [Ca 2+] i, prin starea de fosforilare a conexinelor și prin compoziția extracelulară de acizi grași.

Expresia conexinei este, de asemenea, modulată. Hormonii pot regla sau regla în jos conținutul conexinei. În celulele inimii de șobolan nou-născuți in vitro, AMPc poate regla în mod dramatic expresia Cx43 cu o creștere concomitentă a vitezei de conducere a potențialului de acțiune. Cifra de afaceri a conexinelor este remarcabil de rapidă. De exemplu, în inima șobolanului adult, timpul de înjumătățire este de 1,3 ore. 7

Distribuția joncțiunii gap în miocardul normal

În miocard, conexinele sunt exprimate regional: Cx43 se găsește în toată inima, cu posibila excepție a țesuturilor nodale și a părților sistemului de conducere. 4 La speciile de mamifere, Cx40 este exprimat în țesutul atrial (cu excepția inimii de șobolan) și în sistemul de conducere proximal (cu excepția inimii de cobai). 8 9 Expresia Cx45 pare să fie limitată la țesuturile nodale și la sistemul de conducere, 10 11, dar unele rapoarte 12 13 susțin o distribuție mult mai răspândită, probabil din cauza utilizării unui anticorp anti-Cx45 nespecific. 14 Nu au fost detectate alte conexine între cardiomiocite până în prezent.

Miocitele ventriculare sunt conectate prin ID-uri la aproximativ 10 celule vecine. 22 26 Viteza de conducere este determinată de aria plăcii de joncțiune gap în fiecare dintre aceste ID-uri. Suprafața totală a plăcii de joncțiune gap per ID este de 47 până la 94 μm 2 la șobolani, 27 42 sau 13,6 μm 2 la câini, 22 23 și ≈10 μm 2 la om. 26

În atriu, plăcile de joncțiune gap conțin atât Cx43, cât și Cx40. 9 13 Cel mai adesea, Cx43 și Cx40 sunt localizate în aceleași plăci, fără localizarea preferențială a conexinei în marginile celulare laterale sau a plăcilor de identificare. 9 Nu sunt disponibile date pentru a calcula suprafața plăcii de joncțiune a spațiului per ID în atrium.

În miocardul ventricular, expresia Cx40 este limitată la sistemul de conducere. 8 La majoritatea speciilor de mamifere, nu există Cx43 în partea proximală (mănunchiul său, ramurile mănunchiului), în timp ce în regiunile mai distale ale ramurilor mănunchiului și a fibrelor Purkinje, Cx40 și Cx43 sunt coexprimate. 28 în Xenopus ovocitele, Cx43 și Cx40 nu pot forma canale de joncțiune gap heterotipice funcționale, 29 și s-a sugerat că distribuția conexinei în sistemul de conducție proximală ar servi la propagarea acțiunii potențial rapide către părțile distale fără pierderi de curent prin joncțiuni gap la miocitele septale înconjurătoare. Cu toate acestea, în celulele de mamifere, incompatibilitatea conexonilor Cx40 și Cx43 pare mai puțin clară. 30 În inimile șoarecilor, Cx45 este exprimat de-a lungul nodului atrioventricular, al pachetului său și al ramurilor pachetului. 10 Expresia lui Cx40 este limitată la miezul pachetului și ramurilor sale. 10

Distribuția joncțiunilor lacune în miocardul bolnav

În practic toate bolile cardiace care predispun la aritmii, au fost raportate modificări ale distribuției și numărului de joncțiuni gap (remodelarea joncțiunii gap). În boala ischemică avansată, a fost detectată o zonă îngustă formată din layers5 straturi de celule care se învecinează cu infarctele miocardice vindecate. 24 În această zonă, distribuția normală a joncțiunilor de decalaj în ID-urile localizate de la cap la cap a fost întreruptă cu o deplasare a petelor care conțin Cx43 la marginile laterale ale celulei, fără modificări ale dimensiunii spotului. Ventriculele stângi umani normali, ischemici și hipertrofiați au prezentat plăci de dimensiuni egale de colorare anti-Cx43, dar cantitatea totală de Cx43 a fost redusă cu 40% în inimile bolnave. 26 Numărul de identificări pe celulă nu a fost diferit în inimile normale și bolnave, ceea ce implică faptul că geometria celulară nu s-a schimbat dramatic. Pe de altă parte, în ventriculul uman ischemic și hibernant reversibil, s-a observat o reducere a dimensiunii plăcii Cx43 de 23% și respectiv 33% în regiunile afectate, 19 fără modificări ale miocardului normal. În aceste experimente, s-a observat o deplasare a petelor Cx43 de la o locație cap la cap la o locație laterală; această schimbare a fost raportată și în cardiomiopatia hipertrofică. 25

Se pare că lateralizarea joncțiunilor gap este o caracteristică proeminentă a miocardului bolnav. Cu toate acestea, nu este complet clar în ce măsură această lateralizare poate contribui la modificarea proprietăților de conducere, deoarece s-a arătat recent 34 că în celulele ventriculare de șobolan care se învecinează cu infarctele vindecate, multe dintre plăcile de joncțiune laterală sunt localizate în invaginațiile sarcolemei interiorul celulei, contribuind astfel la comunicarea de la celulă la celulă. O observație comparabilă a fost făcută în hipertrofia ventriculară dreaptă. 32

Deși datele cantitative sunt rare, o altă constatare obișnuită în miocardul bolnav este o reducere cu 30% până la 40% a zonei de joncțiune a decalajului per ID. În ventriculele (post) ischemice, această reducere este limitată la câteva straturi celulare în jurul zonei afectate, în timp ce în ventriculii hipertrofici, reducerea este mai răspândită. Din această observație singură sau împreună cu o densitate crescută a plăcilor de joncțiune a decalajului lateral, s-ar putea prezice un raport de anizotropie redus. Într-un studiu23, sa raportat o creștere a raportului de anizotropie în zonele de frontieră ale infarctului. Această creștere s-a datorat parțial unei reduceri a densității joncțiunii laterale (intercalate) și parțial unei scăderi a numărului de celule care au conexiuni laterale cu celule vecine.

Modificările densității joncțiunii gap și distribuția în țesutul atrial bolnav sunt mai puțin bine documentate. În atriile de câine cu ritm rapid, a fost raportată o creștere a petelor pozitive Cx43, 35 în special la marginile celulare laterale. În atriul caprelor, nu s-au găsit modificări aparente ale densității și distribuției Cx43 după 16 săptămâni de fibrilație atrială susținută (FA), 36 37, deși a avut loc o anumită defosforilare. Proteina Cx40 a fost absentă în patch-uri de țesut atrial de 0,15 până la 0,6 mm după 16 săptămâni de FA fără o reducere a ARNm Cx40. Reducerea neuniformă a proteinei Cx40 a fost evidentă după 2 săptămâni de FA, cam în același timp în care FA a fost susținută. Rămâne de stabilit dacă această reducere a Cx40 este legată cauzal de persistența FA.

Abia încep să fie raportate date privind implicarea remodelării joncțiunii gap în aritmii originare din sistemul de conducere sau din țesutul nodal. 38 39 40

Joncțiunile gap și viteza de conducere

Gj eficient

Am efectuat câteva simulări simple pe computer pentru a testa efectele modificărilor densității și distribuției joncțiunilor gap pe viteza de conducere a potențialului de acțiune. În primul rând, am determinat conductanța joncțională a decalajului efectiv (gj, corectată pentru efectele câmpului electric cauzate de rezistența la acces citoplasmatică) utilizând modelul nostru publicat anterior 18 și presupunând că conductanța monocanal Cx43 este de 75 pS la 37 ° C 41 și tot canalele să fie în starea lor de conducere (dar consultați Referința 42). Figura 1A arată că efectele rezistenței la acces citoplasmatic sunt deja evidente pentru joncțiunile de spațiu relativ mici și devin mai proeminente odată cu creșterea dimensiunii joncțiunii de spațiu. Pentru joncțiunile de spațiu> 0,5 μm 2, conductanța efectivă este de 4 μm 2, conductanța efectivă este chiar 2 pentru joncțiunile de spațiu de dimensiuni mici până la moderate (0,3 până la 1,5 μm 2) și 2 pentru joncțiunile de spațiu mari (> 5 μm 2). Așa cum s-a discutat mai sus, suprafața joncțională a decalajului variază în mod obișnuit între 10 și 40 μm 2 per ID. Dacă se utilizează o conductanță medie efectivă de 0,3 μS/μm 2, gj efectiv pe ID între celulele vecine este de 3 până la 12 μS.

Viteza de conducere

Apoi, am evaluat importanța gj pentru viteza de conducere. Am stimulat celula din stânga într-un fir liniar de 50 de celule la o frecvență de 1 Hz și am calculat viteza de conducere pe treimea mijlocie a firului. Celulele au fost fie aranjate cap la cap, fie una lângă alta, iar celulele învecinate au fost conectate printr-un gj constant (efectiv) (Figura 2A). Am folosit modelul celulei ventriculare umane a lui Priebe și Beuckelmann 43 într-o reprezentare numerică a ecuației cablului similară cu cea explorată de Shaw și Rudy, 44 cu o valoare de 150 Ω cm pentru rezistența citoplasmatică. 45

Implicații funcționale

Rezultatele simulării constituie avertismente importante pentru interpretarea datelor cantitative din studii (imuno) histochimice sau (electronice) microscopice. O reducere a conținutului total de joncțiune a decalajului cu până la 40% fără modificări ale dimensiunii plăcilor de joncțiune a decalajului, așa cum se observă în inimile umane bolnave, 26 poate avea de la sine numai efecte moderate asupra vitezei de conducere. Dacă gj normal între celule este de 5 μS, o reducere de 40% la 3 μS are ca rezultat o scădere cu 11% a ΘL de la 65 la 58 cm/s și o scădere cu 27% a ΘT de la 24 la 18 cm/s (Figura 2B). Raportul de anizotropie asociat crește cu 22% de la 2,7 la 3,3. În alte cazuri, conținutul de joncțiune a decalajului general a rămas neschimbat, dar a avut loc o trecere la marginile laterale ale celulei. 25 32 O schimbare de 40% ar reduce ΘL cu 11% și ar crește ΘT cu 25%, rezultând o scădere de 29% a raportului de anizotropie. Dacă noile joncțiuni laterale sunt situate intracelular, este posibil ca 32 34 ΘT să nu se schimbe deloc.

Concluzii finale

În multe studii care implică remodelarea joncțiunilor gap în țesutul ventricular bolnav, autorii au ajuns la concluzia că o scădere a vitezei de conducere poate spori înclinația către aritmii reentrante. Cu toate acestea, analiza actuală a datelor limitate disponibile indică faptul că reducerea vitezei de conducere sau modificările raportului de anizotropie pot fi de fapt moderate. Cu siguranță, schimbările observate nu ar aduce substratul în domeniul conducției lente, așa cum sa abordat în mai multe studii experimentale recente 48 49 50 și 44 51 teoretice. Analiza noastră indică faptul că rezistența citoplasmatică și geometria celulară sunt mult mai importante decât se realizează în mod obișnuit, concluzie susținută și de Spach și colegii săi. 15 47 52 53

Nu am încorporat modificări induse de boală în proprietățile canalelor de joncțiune ionică și gap între membrană în analiza noastră. Fără îndoială, astfel de modificări fiziopatologice complică și mai mult înțelegerea aritmogenezei în ischemia acută, infarctul miocardic cronic, hipertrofia și insuficiența cardiacă.

bolilor

figura 1. Efectele rezistenței la acces citoplasmatic asupra gj. A, gj eficient (corectat pentru rezistența la acces citoplasmatic) versus suprafața joncțională a decalajului, în contrast cu valoarea necorectată obținută prin înmulțirea conductanței monocanal cu numărul de canale joncționale decalaj. B, Date din panoul A replotate ca conductanță pe unitatea de suprafață.

Figura 2. Simulări computerizate ale propagării potențialului de acțiune în fire liniare ale celulelor ventriculare umane cu un gj eficient între celule. A, Diagrama șuvițelor longitudinale și transversale. B, Viteza de conducție longitudinală și transversală versus gj. C, Gap joncțiune și rezistență citoplasmatică versus gj. Notați scala de ordonate logaritmice.

Această revizuire a fost susținută parțial de Consiliul de Cercetare pentru Științele Pământului și Vieții (ALW), cu ajutorul financiar al Organizației Olandeze pentru Cercetare Științifică (NWO).