Сердечный нервный гребень

Клетки нервного гребня — это мультипотентные клетки, необходимые для развития клеток, тканей и систем органов. ^[1] Субпопуляция клеток нервного гребня — это комплекс сердечного нервного гребня . Этот комплекс относится к клеткам, обнаруженным среди мидотической плакоды и сомита 3, которым суждено подвергнуться эпителиально-мезенхимальной трансформации и миграции в сердце через глоточные дуги 3, 4 и 6. ^[2]

Комплекс нервного гребня сердца играет жизненно важную роль в формировании соединительных тканей, которые способствуют образованию перегородок оттока и моделированию артерий дуги аорты во время раннего развития. ^[2] Абляция комплекса часто приводит к нарушению функции миокарда, схожему с симптомами, присутствующими при синдроме Ди Джорджи . ^[3] Следовательно, удаление клеток сердечного гребня, которые заселяют глоточные дуги, оказывает кровоснабжающее воздействие на тимус , паращитовидные железы и щитовидную железу . ^[4]

Клетки нервного гребня представляют собой группу временных, мультипотентных (могут дать начало некоторым другим типам клеток, но не всем) клеток, которые отщепляются во время формирования нервной трубки (предшественника спинного и головного мозга) и поэтому находятся в дорсальной (верхней) области нервной трубки во время развития. ^[5] Они происходят из зародышевого слоя эктодермы , но иногда их называют четвертым зародышевым слоем, потому что они очень важны и дают начало многим другим типам клеток. ^{[5] [6]} Они мигрируют по всему телу и создают большое количество дифференцированных клеток, таких как нейроны , глиальные клетки, пигментсодержащие клетки в коже, клетки скелетной ткани в голове и многие другие. ^{[5] [6]}

Клетки нервного гребня сердца (CNCC) представляют собой тип клеток нервного гребня, которые мигрируют в окологлоточный гребень (дугообразный гребень над глоточными дугами ), а затем в 3-ю, 4-ю и 6-ю глоточные дуги и сердечный выводной тракт (OFT). ^{[5] [6] [7]}

Они простираются от слуховых плакод (структура развивающихся эмбрионов, которая позже сформирует уши) до третьих сомитов (скоплений мезодермы , которые станут скелетными мышцами, позвонками и дермой). ^{[5] [6]}

Клетки нервного гребня сердца выполняют ряд функций, включая создание мышечных и соединительнотканных стенок крупных артерий; частей сердечной перегородки ; частей щитовидной , паращитовидной и вилочковой желез. Они дифференцируются в меланоциты и нейроны, а также в хрящ и соединительную ткань глоточных дуг. Они также могут способствовать созданию каротидного тельца, органа, который контролирует уровень кислорода в крови и регулирует дыхание. ^{[5] [6]}

Нейронная индукция — это дифференциация клеток-предшественников в их окончательное обозначение или тип. Клетки-предшественники, которые станут CNCC, находятся в эпибласте около узла Хенсона . ^{[7] [8]} Клетки-предшественники переносятся в нервные складки . Такие молекулы, как Wnt , фактор роста фибробластов (FGF) и костный морфогенетический белок (BMP), подают сигналы , которые побуждают клетки-предшественники стать CNCC. ^{[7] [8]} Мало что известно о каскаде сигналов, который способствует индукции нервного гребня. Однако известно, что требуется промежуточный уровень BMP: если BMP слишком высок или слишком низок, клетки не мигрируют. ^[8]

После индукции CNCC теряют свои межклеточные контакты. Это позволяет им перемещаться по внеклеточному матриксу и взаимодействовать с его компонентами. CNCC с помощью своих филоподий и ламеллиподий ( актинсодержащих расширений цитоплазмы , которые позволяют клетке исследовать свой путь миграции) покидают нервную трубку и мигрируют по дорсолатеральному пути к окологлоточному гребню. ^{[5] [6] [7]} Вдоль этого пути CNCC соединяются вместе, образуя поток мигрирующих клеток. Клетки в передней части миграционного потока имеют особую многоугольную форму и размножаются с большей скоростью, чем замыкающие клетки. ^[8]

Сердечный нервный гребень берет начало из области клеток между сомитом 3 и мидотической плакодой, которые мигрируют по направлению к сердечному выводному тракту и в него. ^[9] Клетки мигрируют из нервной трубки, чтобы заселить глоточные дуги 3, 4 и 6, при этом самая большая популяция выводного тракта происходит из тех, что находятся в глоточных дугах 4. ^[2] Отсюда субпопуляция клеток будет развиваться в эндотелий артерий дуги аорты , в то время как другие будут мигрировать в выводной тракт, чтобы сформировать аортально-легочную и стволовую перегородки. ^{[2] [10]} Другие эктомезенхимальные клетки сформируют тимус и паращитовидные железы. ^[11]

Перед миграцией, во время процесса, известного как эпителиально-мезенхимальный переход (ЭМП), происходит потеря клеточного контакта, ремоделирование цитоскелета и увеличение подвижности и взаимодействия с внеклеточными компонентами в матриксе. ^[12] Важным шагом в этом процессе является подавление адгезионного белка E-кадгерина, присутствующего на эпителиальных клетках, для инициирования процесса миграции. Этот механизм подавления происходит через сигнализацию фактора роста BMP для включения транскрипционного репрессора Smad-взаимодействующего белка 1 (Sip1) и знаменует начало эпителиально-мезенхимального перехода. ^[13]

Во время миграции клетки гребня, предназначенные для глоточных дуг, поддерживают контакт друг с другом через ламеллиподии и филоподии . Краткосрочный локальный контакт поддерживается с ламеллиподиями, в то время как дальний нелокальный контакт поддерживается с филоподиями. ^[14] Во время этого процесса коннексин 43 (Cx43) регулирует взаимодействие клеток, регулируя образование каналов, известных как щелевые контакты . ^[1] Нарушенная функция Cx43 у трансгенных мышей приводит к изменению рисунка коронарных артерий и аномальным путям оттока. ^[15] Дальнейшая передача сигналов щелевых контактов зависит от адгезии клеток, опосредованной кадгерином, образующейся во время перекрестного взаимодействия с сигнализацией катенина p120. ^[16]

Формирование соответствующего выходного тракта зависит от градиента концентрации морфогена , установленного клетками, секретирующими фактор роста фибробластов (FGF). Клетки сердечного гребня, наиболее удаленные от клеток, секретирующих FGF, будут получать более низкие концентрации сигналов FGF8, чем клетки, расположенные ближе к клеткам, секретирующим FGF. Это позволяет сформировать соответствующий выходной тракт. ^[17] Клетки, расположенные в ромбомерах 3 и 5, подвергаются запрограммированной клеточной смерти под воздействием сигналов семафоринов . Отсутствие клеток в этой области приводит к образованию зон, свободных от гребня. ^[18]

Процесс миграции требует разрешающего внеклеточного матрикса. ^[2] Фермент аргинилтрансфераза создает эту среду, добавляя аргинильную группу к вновь синтезированным белкам во время посттрансляционной модификации . ^{[19] Этот процесс способствует подвижности клеток и гарантирует, что белки, содержащиеся в актиновом цитоскелете, подготовлены к} миграции . ^[2]

Миграция клеток по направлению к окологлоточному гребню вынуждена приостанавливаться, чтобы дать возможность сформироваться каудальным глоточным дугам. ^[2] Мало что известно об этом механизме приостановки, но исследования, проведенные на цыплятах, раскрыли роль экспрессируемых мезодермой факторов EphrinB3 и EphrinB4 в формировании прикреплений фибронектина. ^[20]

Глоточные дуги представляют собой ткани, состоящие из клеток, полученных из мезодермы, заключенных во внешнюю эктодерму и внутреннюю энтодерму . ^[2] После того, как каудальные глоточные дуги сформированы, комплексы сердечных нервных гребней будут мигрировать к ним и колонизироваться в дугах 3, 4 и 6. Клетки, ведущие эту миграцию, поддерживают контакт с внеклеточным матриксом и содержат филоподии, которые действуют как расширения в направлении эктодермальных глоточных дуг. ^{[2] [14]} Ряд секретируемых факторов обеспечивает соответствующую направленность клеток. FGF8 действует как хемотаксическое притяжение, направляя движение клеток в сторону глоточной дуги 4. ^{[1] [14]}

Вторым сигнальным путем, который направляет движение клеток гребня, является семейство лигандов эндотелина. Мигрирующие клетки нервного гребня сердца будут заселяться в правильных глоточных дугах под сигнальным руководством вариаций EphrinA и Ephrin B. Это соответствует экспрессии рецепторов в глоточных дугах. Глоточная дуга 3 экспрессирует рецепторы EphrinA и EphrinB1, а глоточная дуга 2 экспрессирует EphrinB2 и позволяет связывать вариации EphrinA и EphrinB для управления миграцией клеток нервного гребня сердца. ^[2]

Артерии дуги аорты транспортируют кровь из аорты в голову и туловище эмбриона . [ ^21] Обычно раннее развитие выходного тракта начинается с одного сосуда, который образует двусторонние симметричные ветви в аортальном мешке внутри глоточных дуг. Этот процесс требует удлинения выходного тракта в качестве предварительного условия для обеспечения правильной серии петлеобразования и выравнивания сердца. ^[1] Затем комплекс нервного гребня сердца колонизируется в туловищной подушке и локализуется в субэндотелиальном слое до спирализации эндокардиальной подушки, образуя конотрункальные гребни. Позже он подвергается ремоделированию, образуя левосторонний аортальный рисунок, присутствующий во взрослых сердцах. ^[1] Группа клеток, обнаруженная в третьей дуге аорты, дает начало общим сонным артериям . Клетки, обнаруженные в четвертой дуге аорты, дифференцируются, образуя дистальную дугу аорты и правую подключичную артерию , в то время как клетки в шестой дуге аорты развиваются в легочные артерии . Клетки нервного гребня сердца экспрессируют гены Hox , которые поддерживают развитие артерий 3, 4 и 6 и одновременную регрессию артерий 1 и 2. Абляция генов Hox на клетках нервного гребня сердца вызывает дефектную перегородку оттока. ^[21]

Одной из основных аномалий сердечного оттока, присутствующих во время абляции комплекса нервного гребня сердца, является постоянный артериальный ствол . ^[9] Это возникает, когда артериальный ствол не разделяется и вызывает разделение легочной артерии и аорты. ^[1] Это приводит к отсутствию аортально-легочной перегородки, поскольку сосуды, которые обычно исчезают при нормальном развитии, остаются и прерывают сонные сосуды. ^[9] Порок развития сердца и связанных с ним крупных сосудов зависит от степени и местоположения абляции комплекса нервного гребня сердца. ^[9] Полное удаление нервных гребней сердца приводит к постоянному артериальному стволу, характеризующемуся в большинстве случаев наличием только одного клапана оттока и дефектом межжелудочковой перегородки. ^[22] Мезэнцефальные клетки нервного гребня мешают нормальному развитию перегородки сердечного оттока, поскольку ее наличие приводит к постоянному артериальному стволу. ^[23] Однако добавление стволовых клеток нервного гребня приводит к нормальному развитию сердца. ^[9]

Другие последствия аномалий сердечного оттока включают тетраду Фалло , комплекс Эйзенменгера, транспозицию магистральных сосудов и двойной выходной отдел правого желудочка. ^[9]

Перекрывающая аорта вызвана аномальным петлеобразованием во время раннего развития сердца и сопровождается дефектами межжелудочковой перегородки. ^[3] Вместо аномального формирования аортально-легочной перегородки частичное удаление сердечного нервного гребня приводит к перекрывающей аорте, в результате чего аорта оказывается смещенной над межжелудочковой перегородкой, а не над левым желудочком. ^[22] Это приводит к уменьшению количества оксигенированной крови, поскольку аорта получает некоторое количество дезоксигенированной крови из потока правого желудочка . Наблюдается уменьшение количества эндотелиальных трубок эктомезенхимы в глоточных дугах, которые окружают артерии дуги аорты. ^[9]

Другие результаты аномалий дуги аорты включают двойную дугу аорты, вариабельное отсутствие сонных артерий и левой дуги аорты. ^[9]

Функциональные изменения сердца становятся очевидными задолго до того, как структурные изменения наблюдаются в фенотипе абляции цыплят. Это происходит из-за того, что эмбрион подвергает риску морфологические изменения сердца, чтобы поддерживать сердечную функцию посредством вазодилатации . Несмотря на увеличение эмбрионального ударного объема и сердечного выброса , эта компенсация сниженного сокращения приводит к смещению сосудов развития из-за неполного закольцовывания сердечной трубки. ^[9]

В сердце взрослого человека сокращение миокарда происходит посредством сопряжения возбуждения-сокращения , посредством чего происходит клеточная деполяризация и обеспечивает приток кальция через потенциалзависимые кальциевые каналы . Последующий обратный захват кальция в саркоплазматический ретикулум вызывает снижение внутриклеточного кальция, что приводит к расслаблению миокарда. ^[21] Удаление комплекса нервного гребня сердца приводит к снижению сократимости миокарда. У эмбрионов, содержащих персистирующий артериальный ствол, наблюдается значительное двукратное снижение токов кальция, тем самым прерывая процесс сопряжения возбуждения-сокращения сердца, что приводит к снижению сократимости. ^{[9] [21]}

Во время кардиогенеза миграция комплекса нервного гребня сердца происходит до развития легочной системы. Не наблюдается видимой разницы в легочных венах эмбрионов цыплят, у которых развился постоянный артериальный ствол, и эмбрионов с неповрежденным комплексом нервного гребня сердца. Абляция комплекса нервного гребня сердца не играет роли в системной или легочной венозной системе, поскольку не наблюдается видимых венозных дефектов. ^[24]

Из-за его заселения в глоточных дугах удаление комплекса нервного гребня сердца оказывает побочное действие на тимус, паращитовидные железы и щитовидную железу. ^[11]

В глоточные дуги и артериальный ствол (эмбриология) , образующие аортолегочную перегородку ^[25] и гладкую мускулатуру крупных артерий .

Передняя часть аорты превращается в четыре преаортальных ганглия : ( чревный ганглий , верхний брыжеечный ганглий , нижний брыжеечный ганглий и аортально-почечные ганглии ).

В окологлоточной дуге CNCC должны приостановить свою миграцию, пока формируются глоточные дуги. ^{[5] [6] [7] [8]}

CNCC продолжают миграцию в новообразованные глоточные дуги, особенно в третью, четвертую и шестую дуги. В глоточных дугах CNCC помогают формировать щитовидную и паращитовидную железы. ^{[5] [6] [7]}

Лидирующие клетки имеют длинные филоподии, которые способствуют миграции, в то время как клетки в середине миграции имеют выступы спереди и сзади, что позволяет им взаимодействовать и сообщаться с лидирующими клетками, замыкающими клетками и получать сигналы от внеклеточного матрикса. ^[8]

Различные факторы роста и факторы транскрипции во внеклеточном матриксе сигнализируют клеткам и направляют их к определенной дуге. ^[8] Например, сигнализация FGF8 направляет CNCCS к четвертой дуге и сохраняет клетки жизнеспособными. ^[8]

Выносящий тракт сердца — это временная структура в развивающемся эмбрионе, которая соединяет желудочки с аортальным мешком . Некоторые CNCC мигрируют за пределы глоточных дуг в выводящий тракт сердца. ^{[5] [7] [8]} CNCCS в выводящем тракте сердца способствуют формированию сердечных ганглиев и мезенхимы на стыке субаортального и сублегочного миокарда (мышечной ткани сердца) выводящего тракта. ^[8] Меньшая часть CNCC мигрирует в проксимальный выводящий тракт, где они помогают закрыть перегородку выводящего желудочка. ^{[5] [7]}

Для дифференциации, пролиферации, миграции и апоптоза CNCCs требуется множество сигнальных молекул . Молекулярные пути, участвующие в этом, включают семейства молекул Wnt , Notch , BMP , FGF8 и GATA . В дополнение к этим сигнальным путям, эти процессы также опосредованы факторами окружающей среды, включая кровоток, сдвиговое напряжение и кровяное давление. ^[26]

CNCC взаимодействуют с кардиогенными мезодермальными клетками первичного и вторичного полей сердца, которые происходят из сердечного полумесяца и дают начало эндокарду , миокарду и эпикарду . Сами CNCC являются предшественниками сосудистых гладкомышечных клеток и сердечных нейронов. ^[27]

Например, CNCC необходимы для формирования аортолегочной перегородки (APS), которая направляет сердечный отток в два тракта: легочный ствол и аорту развивающегося сердца. Это пример ремоделирования , которое зависит от передачи сигналов вперед и назад между CNCC и кардиогенной мезодермой . Если эта передача сигналов нарушена или есть дефекты в CNCCS, могут развиться сердечно-сосудистые аномалии. К этим аномалиям относятся персистирующий артериальный ствол (PTA), двойной выход правого желудочка (DORV), тетрада Фалло и синдром Ди Джорджи . ^[28]

Белки Wnt являются внеклеточными факторами роста , которые активируют внутриклеточные сигнальные пути. Существует два типа путей: канонические и неканонические. Классический канонический путь Wnt включает белок β-катенин в качестве сигнального посредника. Wnt поддерживает β-катенин, предотвращая деградацию протеасомы . Таким образом, β-катенин стабилизируется в присутствии Wnt и регулирует транскрипцию генов посредством взаимодействия с факторами транскрипции TCF/LEF. ^[29] Канонический путь Wnt/β-катенин важен для контроля пролиферации клеток. ^[30] Неканонический путь Wnt не зависит от β-катенина и оказывает ингибирующее действие на каноническую сигнализацию Wnt. ^[29]

Сигнальные пути Wnt играют роль в развитии CNCC, а также в развитии OFT. ^[29] У мышей снижение β-катенина приводит к снижению пролиферации CNCC. ^[29] Снижение регуляции корецептора Wnt Lrp6 приводит к уменьшению CNCC в дорсальной нервной трубке и в глоточных дугах, а также приводит к желудочковым, септальным и OFT дефектам. ^[29] Каноническая сигнализация Wnt особенно важна для регуляции клеточного цикла развития CNCC и инициации миграции CNCC. ^[29] Неканоническая сигнализация Wnt играет большую роль в содействии сердечной дифференцировке и развитию OFT. ^[29]

Notch — это трансмембранный белок, сигнализация которого необходима для дифференциации CNCC в сосудистые гладкомышечные клетки и для пролиферации сердечных миоцитов (мышечных клеток сердца). У мышей нарушение сигнализации Notch приводит к дефектам ветвления дуги аорты и стенозу легочной артерии, а также к дефекту развития гладкомышечных клеток шестой артерии дуги аорты, которая является предшественником легочной артерии. ^[26] У людей мутации Notch чаще всего приводят к заболеванию двустворчатого аортального клапана и кальцификации аортального клапана. ^[31]

Костные морфогенетические белки (BMP) необходимы для миграции клеток нервного гребня в сердечные подушечки (предшественники сердечных клапанов и перегородок) и для дифференциации клеток нервного гребня в гладкомышечные клетки артерий дуги аорты. У эмбрионов с дефицитом Alk2, специфичным для нервного гребня, сердечные подушечки выходного тракта имеют дефицит клеток из-за дефектов миграции клеток нервного гребня. ^[32]

Факторы транскрипции фактора роста фибробластов 8 (FGF8) необходимы для регулирования добавления вторичных клеток поля сердца в сердечный отток. У мышей-мутантов FGF8 наблюдается ряд сердечных дефектов, включая недоразвитые дуговые артерии и транспозицию магистральных артерий. ^{[33] [34]}

Факторы транскрипции GATA , которые представляют собой сложные молекулы, связывающиеся с последовательностью ДНК GATA , играют важную роль в ограничении дифференцировки клеточной линии во время развития сердца. Основная функция GATA6 в развитии сердечно-сосудистой системы заключается в регуляции морфогенетического паттерна выходного тракта и дуги аорты. Когда GATA6 инактивируется в CNCC, могут возникнуть различные сердечно-сосудистые дефекты, такие как персистирующий артериальный ствол и прерванная дуга аорты. Этот фенотип (аномалия) также наблюдался, когда GATA6 был инактивирован в сосудистых гладкомышечных клетках. ^[35] GATA6 в сочетании с Wnt (Wnt2-GATA6) играет роль в развитии заднего полюса сердца (приточного тракта). ^[36]

Среди исследователей есть интерес к тому, можно ли использовать CNCC для восстановления тканей сердца человека. Сердечные приступы у людей случаются часто, а уровень смертности от них высок. Существуют экстренные методы лечения, которые могут быть назначены в больницах, такие как ангиопластика или хирургия , но после этого пациенты, скорее всего, будут принимать лекарства в течение длительного времени и будут более восприимчивы к сердечным приступам в будущем. Другие осложнения сердечных приступов включают сердечные аритмии и сердечную недостаточность . ^[37]

Хотя CNCC важны для эмбрионов, некоторые CNCC сохраняются в спящем состоянии до взрослой жизни, где они называются стволовыми клетками нервного гребня . В 2005 году Томита пересадил стволовые клетки нервного гребня из сердец млекопитающих в нервный гребень эмбрионов цыплят. Было показано, что эти CNCC мигрируют в развивающееся сердце цыпленка, используя тот же дорсолатеральный путь, что и CNCC, и дифференцируются в нервные и глиальные клетки. ^[38]

Исследование Тамуры 2011 года изучало судьбу CNCC после сердечного приступа (инфаркта миокарда) у молодых мышей. CNCC у молодых мышей были помечены усиленным зеленым флуоресцентным белком (EGFP) и затем отслежены. Помеченные CNCC были сосредоточены в сердечном выводном тракте, а некоторые были обнаружены в желудочковом миокарде. Было также показано, что эти клетки дифференцируются в кардиомиоциты по мере роста сердца. Хотя было обнаружено меньше, эти маркированные EGFP CNCC все еще присутствовали в сердце взрослого человека. Когда был вызван сердечный приступ, CNCC агрегировались в области ишемической пограничной зоны (область поврежденной ткани, которую все еще можно спасти) и в некоторой степени способствовали регенерации ткани посредством дифференциации в кардиомиоциты для замены некротической ткани. ^{[39] [40]}