Gap Junctions in Cardiovascular Disease

Gap Junctions, spezialisierte Membranstrukturen, die aus Anordnungen von interzellulären Kanälen bestehen, verbinden benachbarte Zellen in vielen Geweben und Organen und sorgen so für chemische und elektrische Kommunikation. Im Herzen bilden die Gap Junctions die Wege für den interzellulären Stromfluss und ermöglichen so die koordinierte Ausbreitung von Aktionspotenzialen. In jüngster Zeit wurden zahlreiche Berichte veröffentlicht, die darauf hindeuten, dass Veränderungen in der Verteilung, Dichte und den Eigenschaften von Gap Junctions an der Entstehung und Aufrechterhaltung verschiedener Herzrhythmusstörungen beteiligt sein könnten. In der vorliegenden Übersichtsarbeit fassen wir die in diesen Berichten präsentierten Daten zusammen und erörtern die funktionellen Auswirkungen.

Struktur und Eigenschaften von Gap-Junction-Kanälen

In den letzten zehn Jahren wurden die Struktur und die Eigenschaften von Gap-Junction-Kanälen umfassend dokumentiert, wie in mehreren neueren Übersichtsarbeiten erörtert.1234

Gap-Junction-Kanäle von Säugetieren bestehen aus Connexinen, die von einer Familie eng verwandter Gene kodiert werden. Alle Connexine bestehen aus 4 hochkonservierten α-helicalen membranüberspannenden Segmenten, die durch 2 extrazelluläre und 1 intrazelluläre Schleife getrennt sind. Die Amino- und Carboxy-Enden befinden sich intrazellulär. Es wurden fünfzehn Mitglieder der Connexin-Familie bei Säugetieren identifiziert. Sie unterscheiden sich hauptsächlich in der Abfolge ihrer intrazellulären Schleifen und Carboxy-Enden. In Kardiomyozyten wurden drei Connexine auf Proteinebene nachgewiesen: Connexin40 (Cx40), Connexin43 (Cx43) und Connexin45 (Cx45) (benannt nach ihrer mutmaßlichen Molekülmasse in Kilodalton).

Ein Gap Junction-Kanal wird durch Kopf-an-Kopf-Andocken von zwei Hemikanälen (Connexons) gebildet, die jeweils aus 6 Connexin-Molekülen bestehen, die hexagonal um eine wässrige Pore angeordnet sind. Da das Andocken durch relativ konservierte extrazelluläre Schleifen vermittelt wird, können viele Connexons, die aus einer Art von Connexin bestehen, mit Connexons aus anderen Connexinen kombiniert werden, um heterotypische Gap Junction Kanäle zu bilden. Ein Connexon kann auch aus verschiedenen Connexinen zusammengesetzt sein5 (heteromeres Connexon). Im Herzen sind verschiedene Connexine in Gap Junction Plaques kolokalisiert, aber es ist unbekannt, ob es im kardiovaskulären System heterotypische und/oder heteromere Gap Junction Kanäle gibt.

Gap Junction Kanäle sind durchlässig für Substanzen mit einem Molekulargewicht von <≈1 kDa. Die Permeabilität hängt vom Connexin-Typ und der Ladung des permeierenden Moleküls ab. Gap Junction-Kanäle verhalten sich wie gated Ionenkanäle. In Kardiomyozyten reicht die Leitfähigkeit eines einzelnen Kanals von ≈20 pS für homotypische Cx45-Kanäle über 75 pS für Cx43-Kanäle bis hin zu ≈200 pS für Cx40-Kanäle. Die Leitfähigkeit der Gap Junction wird durch die transfunktionale Spannung, durch i6 und i, durch den Phosphorylierungszustand der Connexine und durch die extrazelluläre Fettsäurezusammensetzung moduliert.

Die Expression der Connexine wird ebenfalls moduliert. Hormone können den Connexin-Gehalt hoch- oder herunterregulieren. In neonatalen Rattenherzzellen in vitro kann cAMP die Expression von Cx43 drastisch erhöhen, was mit einem Anstieg der Leitungsgeschwindigkeit des Aktionspotentials einhergeht. Der Umsatz von Connexinen ist bemerkenswert schnell. Im erwachsenen Rattenherz beträgt die Halbwertszeit beispielsweise 1,3 Stunden.7

Gap Junction Distribution in normalem Myocardium

Im Myocardium werden Connexine regional exprimiert: Cx43 findet sich im gesamten Herzen, möglicherweise mit Ausnahme des Knotengewebes und von Teilen des Erregungsleitungssystems.4 Bei Säugetieren wird Cx40 im Vorhofgewebe (mit Ausnahme des Rattenherzens) und im proximalen Erregungsleitungssystem (mit Ausnahme des Meerschweinchenherzens) exprimiert.89 Die Expression von Cx45 scheint auf das Knotengewebe und das Erregungsleitungssystem beschränkt zu sein,1011 aber einige Berichte1213 sprechen von einer viel weiter verbreiteten Verteilung, wahrscheinlich aufgrund der Verwendung eines nicht ganz spezifischen Anti-Cx45-Antikörpers.14 Bislang wurden keine anderen Connexine zwischen Kardiomyozyten nachgewiesen.

In adulten Ventrikeln enthalten Gap Junctions ausschließlich Cx438 und befinden sich vorwiegend in der Region der Interkalationsscheibe (ID) zwischen den Zellen. Die anisotropen leitenden Eigenschaften des ventrikulären Myokards hängen von der Geometrie der miteinander verbundenen Zellen und der Anzahl, Größe und Lage der Gap Junction Plaques zwischen ihnen ab.15 Viele (immuno-)histochemische und (elektronen-)mikroskopische Studien haben sich mit diesen Fragen beschäftigt. Die Gap Junction Plaques bestehen aus mehr oder weniger dicht gepackten 9- bis 10-nm-Partikeln, die einzelne Kanäle darstellen. Unter normalen Bedingungen scheinen die Gap-Junction-Plaques der Ratte ≈15 % partikelfreien Raum zu enthalten,16 während die Partikel in den Gap-Junction-Plaques des Kaninchens zusammenhängend angeordnet sind.17 Hinsichtlich der Leitfähigkeit der Gap-Junction gibt es kaum Unterschiede, da die geringere Anzahl von Kanälen pro Quadratmikrometer durch den geringeren Zugangswiderstand18 (siehe unten) weitgehend ausgeglichen wird. Die mittlere Fläche der Gap-Junction-Plaques reicht von 0,21 μm2 in der menschlichen Herzkammer19 bis ≈0,45 μm2 in der Rattenherzkammer2021 und bis ≈4 μm2 in der Hundekammer.22 In letzterem Fall betrug diese Fläche ≈1,5 μm2 für etwa die Hälfte der Plaques und ≈6,6 μm2 für die andere Hälfte. Aus der (elektronen-)mikroskopischen212223 und (immun-)histochemischen Beurteilung1921242526 geht hervor, dass sich größere Gap-Junction-Plaques in interplikaten Regionen der ID befinden (d. h. in Regionen, die mehr oder weniger parallel zur Längsachse der Zellen verlaufen) und dass kleinere in plikaten Regionen zu finden sind. Hoyt et al22 schätzten, dass sich 80 % der gesamten Gap Junction-Fläche pro Zelle in den Interplikatregionen befinden, wo die Gap Junctions sowohl der longitudinalen als auch der transversalen Leitung dienen können.

Ventrikuläre Myozyten sind durch IDs mit ≈10 Nachbarzellen verbunden.2226 Die Leitungsgeschwindigkeit wird durch die Gap Junction-Plaque-Fläche in jeder dieser IDs bestimmt. Die Gesamtfläche der Gap Junction Plaques pro ID beträgt 47 bis 94 μm2 bei Ratten,27 42 oder 13,6 μm2 bei Hunden,2223 und ≈10 μm2 beim Menschen.26

Im Vorhof enthalten die Gap Junction Plaques sowohl Cx43 als auch Cx40.913 Meistens sind Cx43 und Cx40 in denselben Plaques lokalisiert, ohne dass eines der beiden Connexine an den seitlichen Zellgrenzen oder in den ID-Plaques bevorzugt wird.9 Es liegen keine Daten zur Berechnung der Gap Junction-Plaquefläche pro ID im Vorhof vor.

Im ventrikulären Myokard ist die Expression von Cx40 auf das Reizleitungssystem beschränkt.8 Bei den meisten Säugetierarten ist im proximalen Teil (His-Bündel, Bündeläste) kein Cx43 vorhanden, während in den weiter distal gelegenen Bereichen der Bündeläste und der Purkinje-Fasern Cx40 und Cx43 gemeinsam exprimiert werden.28 In Xenopus-Oozyten können Cx43 und Cx40 keine funktionellen heterotypischen Gap Junction-Kanäle bilden,29 und es wurde vermutet, dass die Connexin-Verteilung im proximalen Reizleitungssystem dazu dient, das Aktionspotenzial schnell und ohne Stromverlust über Gap Junctions zu den umgebenden septalen Myozyten in die distalen Bereiche weiterzuleiten. In Säugetierzellen scheint die Inkompatibilität von Cx40- und Cx43-Connexonen jedoch weniger eindeutig zu sein.30 In Mäuseherzen wird Cx45 im gesamten Atrioventrikularknoten, His-Bündel und den Bündelästen exprimiert.10 Die Expression von Cx40 ist auf den Kern des His-Bündels und der Bündeläste beschränkt.10

Verteilung der Gap Junctions im erkrankten Myokard

Bei praktisch allen Herzerkrankungen, die zu Arrhythmien neigen, wurden Veränderungen in der Verteilung und Anzahl der Gap Junctions (Gap Junction Remodeling) festgestellt. Bei fortgeschrittener ischämischer Erkrankung wurde eine schmale Zone, bestehend aus ≈5 Zellschichten, die an verheilte Myokardinfarkte grenzt, festgestellt.24 In dieser Zone war die normale Verteilung der Gap Junctions in den von Ende zu Ende angeordneten IDs gestört, wobei sich Cx43-haltige Spots an die seitlichen Zellränder verlagerten, ohne dass sich die Spotgröße veränderte. Normale, ischämische und hypertrophierte menschliche linke Herzkammern zeigten gleich große Plaques mit Anti-Cx43-Färbung, aber die Gesamtmenge an Cx43 war in den erkrankten Herzen um 40 % reduziert.26 Die Anzahl der IDs pro Zelle unterschied sich in normalen und erkrankten Herzen nicht, was darauf schließen lässt, dass sich die Zellgeometrie nicht dramatisch verändert hatte. Andererseits wurde in reversibel ischämischen und überwinternden menschlichen Herzkammern eine Verringerung der Größe der Cx43-Plaques um 23 % bzw. 33 % in den betroffenen Regionen festgestellt,19 während im normalen Herzmuskel keine Veränderungen zu beobachten waren. In diesen Experimenten wurde eine Verschiebung der Cx43-Spots von einer End-zu-End-Lage zu einer seitlichen Lage beobachtet; diese Verschiebung wurde auch bei hypertropher Kardiomyopathie berichtet.25

In einem Meerschweinchenmodell für kongestive Herzinsuffizienz wurde eine Gesamtverringerung von Cx43 von 37 % im Stadium der kongestiven Herzinsuffizienz nach 6 Monaten Aortenbanding beobachtet, während im Stadium der kompensierten Hypertrophie keine Veränderungen festgestellt wurden.31 Kürzlich wurde eine Abnahme der Gap Junction-Fläche pro ID um 35 % berichtet32 nach einer vierwöchigen rechtsventrikulären Hypertrophie, die durch eine monocrotalininduzierte pulmonale Hypertonie bei der Ratte verursacht wurde, verbunden mit einer Abnahme der longitudinalen Leitungsgeschwindigkeit (ΘL) um 30 %. Gleichzeitig erschienen zahlreiche Cx43-positive Flecken entlang der Seitenränder der Zellen. Die Leitungsgeschwindigkeit in Querrichtung (ΘT) und der Gesamtgehalt an Cx43, wie er durch Immunoblotting ermittelt wurde, waren nicht betroffen. Die Autoren kamen zu dem Schluss, dass die Umverteilung der Gap-Junction-Plaques das verringerte Anisotropieverhältnis (ΘL/ΘT) erklären könnte. Möglicherweise spielt aber auch die beobachtete Zunahme des Zelldurchmessers um 55 % eine Rolle. Peters et al.33 wiesen eine enge Korrelation zwischen der Induzierbarkeit von Figure-of-8-Reentrant-Arrhythmien in epikardialem Gewebe, das an 4 Tage alte Infarkte in Hundeventrikeln angrenzt, und der Störung der Gap Junction-Verteilung nach. Insbesondere lebensfähige Zellen in der Nähe von nekrotischen Zellen der Infarktregion, die manchmal mit diesen interdigitieren, zeigten eine ausgedehnte Cx43-Markierung der lateralen Zellgrenzen.

Es scheint, dass die Lateralisierung der Gap Junctions ein auffälliges Merkmal des erkrankten Myokards ist. Es ist jedoch nicht ganz klar, inwieweit diese Lateralisierung zu veränderten Leitungseigenschaften beitragen kann, da kürzlich gezeigt wurde34 , dass in Rattenventrikelzellen, die an verheilte Infarkte grenzen, viele der lateralen Gap Junction Plaques in Einstülpungen des Sarkolemmas in das Zellinnere liegen und somit nicht zur Zell-Zell-Kommunikation beitragen. Eine vergleichbare Beobachtung wurde bei der rechtsventrikulären Hypertrophie gemacht.32

Obwohl es nur wenige quantitative Daten gibt, ist ein weiterer häufiger Befund im erkrankten Myokard eine Verringerung der Gap Junction-Fläche um 30 bis 40 % pro ID. In (post)ischämischen Herzkammern ist diese Verringerung auf einige wenige Zellschichten um den betroffenen Bereich herum beschränkt, während sie in hypertrophen Herzkammern weiter verbreitet ist. Aus dieser Beobachtung allein oder in Verbindung mit einer erhöhten Dichte an lateralen Gap-Junction-Plaques würde man ein verringertes Anisotropieverhältnis vorhersagen. In einer Studie23 wurde ein erhöhtes Anisotropieverhältnis in Infarktrandzonen vermutet. Dieser Anstieg war zum Teil auf eine Verringerung der lateralen (interplikatorischen) Gap Junction-Dichte und zum Teil auf eine Verringerung der Anzahl von Zellen zurückzuführen, die seitliche Verbindungen mit benachbarten Zellen aufweisen.

Veränderungen der Gap Junction-Dichte und -Verteilung in erkranktem Vorhofgewebe sind weniger gut dokumentiert. In Vorhöfen von Hunden mit schnellem Herzschrittmacher wurde über eine Zunahme Cx43-positiver Stellen berichtet,35 insbesondere an den seitlichen Zellgrenzen. Im Vorhof von Ziegen wurden nach 16 Wochen anhaltendem Vorhofflimmern (AF) keine offensichtlichen Veränderungen der Cx43-Dichte und -Verteilung festgestellt,3637 obwohl eine gewisse Dephosphorylierung stattgefunden hatte. Nach 16 Wochen Vorhofflimmern fehlte das Cx40-Protein in 0,15 bis 0,6 mm großen Flecken des Vorhofgewebes, ohne dass eine Verringerung der Cx40-mRNA zu beobachten war. Die fleckige Verringerung des Cx40-Proteins war nach 2 Wochen Vorhofflimmern offensichtlich, etwa zur gleichen Zeit, als das Vorhofflimmern dauerhaft wurde. Ob diese Verringerung von Cx40 kausal mit dem Fortbestehen von Vorhofflimmern zusammenhängt, muss noch ermittelt werden.

Daten über die Beteiligung von Gap Junction Remodeling an Arrhythmien, die ihren Ursprung im Reizleitungssystem oder im Knotengewebe haben, werden gerade erst veröffentlicht.383940

Gap Junctions und Leitungsgeschwindigkeit

Effective gj

Wir haben einige einfache Computersimulationen durchgeführt, um die Auswirkungen von Änderungen der Dichte und Verteilung der Gap Junctions auf die Leitungsgeschwindigkeit des Aktionspotentials zu testen. Zunächst bestimmten wir den effektiven Leitwert der Gap Junctions (gj, korrigiert um die durch den zytoplasmatischen Zugangswiderstand verursachten Effekte des elektrischen Feldes) unter Verwendung unseres zuvor veröffentlichten Modells18 und unter der Annahme, dass der Leitwert des Cx43-Einzelkanals bei 37°C41 75 pS beträgt und sich alle Kanäle in ihrem leitenden Zustand befinden (siehe jedoch Referenz 42). Abbildung 1A zeigt, dass die Auswirkungen des zytoplasmatischen Zugangswiderstandes bereits bei relativ kleinen Gap Junctions sichtbar sind und mit zunehmender Gap Junction-Größe deutlicher werden. Für Gap Junctions >0.5 μm2 beträgt der effektive Leitwert <50 % des Wertes, den man durch einfaches Aufaddieren der individuellen Leitwerte aller Kanäle in einer bestimmten Fläche erhält (unkorrigierter Leitwert), und für Gap Junctions >4 μm2 beträgt der effektive Leitwert sogar <20 %. Folglich ist gj pro Flächeneinheit nicht konstant, sondern nimmt mit zunehmender Größe des Spaltübergangs ab (Abbildung 1B). Die effektive Leitfähigkeit beträgt 0,3 bis 0,5 μS/μm2 für kleine bis mittelgroße Gap Junctions (0,3 bis 1,5 μm2) und <0,2 μS/μm2 für große Gap Junctions (>5 μm2). Wie bereits erwähnt, liegt die Oberfläche von Gap Junctions im Allgemeinen zwischen 10 und 40 μm2 pro ID. Bei einer durchschnittlichen effektiven Leitfähigkeit von 0,3 μS/μm2 beträgt die effektive gj pro ID zwischen benachbarten Zellen 3 bis 12 μS.

Leitungsgeschwindigkeit

Als Nächstes haben wir die Bedeutung von gj für die Leitungsgeschwindigkeit untersucht. Wir stimulierten die äußerste linke Zelle in einem linearen Strang von 50 Zellen mit einer Frequenz von 1 Hz und berechneten die Leitungsgeschwindigkeit im mittleren Drittel des Strangs. Die Zellen waren entweder Ende an Ende oder Seite an Seite angeordnet, und benachbarte Zellen waren durch ein konstantes (effektives) gj verbunden (Abbildung 2A). Wir haben das menschliche Ventrikelzellmodell von Priebe und Beuckelmann43 in einer numerischen Darstellung der Kabelgleichung verwendet, die der von Shaw und Rudy untersuchten ähnelt,44 mit einem Wert von 150 Ω cm für den zytoplasmatischen Widerstand.45

Um ΘL-Werte von ≈70 cm/s zu erhalten, wie sie für menschliche Ventrikel berichtet wurden,46 ist ein Leitwert von 7,0 μS erforderlich (Abbildung 2B). Dies stimmt gut mit dem oben genannten Wert von 3 bis 12 μS überein, der anhand morphometrischer Daten geschätzt wurde. Die gleiche Leitfähigkeit von 7,0 μS ergibt ein ΘT von 30 cm/s. Unter normalen Bedingungen ist ΘL ziemlich unempfindlich gegenüber Änderungen von gj: es sinkt um nur 9 cm/s (13 %) bei Halbierung des Leitwerts. ΘT reagiert empfindlicher auf Änderungen von gj: Es nimmt um 36 % ab, wenn der Leitwert halbiert wird. Die relative Unempfindlichkeit von ΘL gegenüber Änderungen von gj lässt sich durch den spezifischen Widerstand der Gap-Junction erklären, den wir aus gj und den Zellabmessungen berechnet haben (Abbildung 2C). Bei der longitudinalen Leitung (durchgezogene Linie mit gefüllten Kreisen in Abbildung 2C) fällt der spezifische Widerstand der Spaltverbindung unter den zytoplasmatischen Widerstand von 150 Ω cm (horizontale gepunktete Linie) bei gj-Werten von nur 2,5 μS, während bei der transversalen Leitung der spezifische Widerstand der Spaltverbindung bei allen Werten von gj viel größer ist als der zytoplasmatische Widerstand (gestrichelte Linie mit offenen Quadraten). Daraus schließen wir, dass die Leitungsgeschwindigkeit, insbesondere ΘL, nur mäßig auf Änderungen des effektiven gj reagiert. Darüber hinaus können die Zellabmessungen (Verhältnis von Zelllänge zu Zellbreite) eine wichtige Rolle bei der Bestimmung der (Anisotropie der) Leitungsgeschwindigkeit spielen. Dies stimmt mit der Schlussfolgerung von Spach et al.47 überein, dass die Zellgröße wichtiger sein könnte als die Verteilung der Gap Junctions.

Funktionelle Implikationen

Die Simulationsergebnisse stellen wichtige Vorbehalte für die Interpretation quantitativer Daten aus (immuno-)histochemischen oder (elektronen-)mikroskopischen Studien dar. Eine Verringerung des Gesamtgehalts an Gap Junctions um bis zu 40 % ohne Veränderung der Größe der Gap Junction-Plaques, wie sie bei erkrankten menschlichen Herzen beobachtet wurde,26 kann an sich nur moderate Auswirkungen auf die Leitungsgeschwindigkeit haben. Wenn der normale gj-Wert zwischen den Zellen 5 μS beträgt, führt eine Reduzierung um 40 % auf 3 μS zu einem Rückgang von ΘL um 11 % von 65 auf 58 cm/s und von ΘT um 27 % von 24 auf 18 cm/s (Abbildung 2B). Das zugehörige Anisotropieverhältnis steigt um 22 % von 2,7 auf 3,3. In anderen Fällen blieb der Gesamtgehalt an Gap Junctions unverändert, aber es kam zu einer Verschiebung zu den seitlichen Zellgrenzen.2532 Eine Verschiebung um 40 % würde ΘL um 11 % verringern und ΘT um 25 % erhöhen, was zu einer Abnahme des Anisotropieverhältnisses um 29 % führt. Wenn die neuen lateralen Gap Junctions intrazellulär liegen,3234 ändert sich ΘT möglicherweise überhaupt nicht.

Abschließende Bemerkungen

In vielen Studien, die sich mit dem Umbau von Gap Junctions in erkranktem ventrikulärem Gewebe befassen, sind die Autoren zu dem Schluss gekommen, dass eine Verringerung der Leitungsgeschwindigkeit die Neigung zu Reentrant-Arrhythmien erhöhen kann. Die vorliegende Analyse der begrenzten verfügbaren Daten deutet jedoch darauf hin, dass die Verringerung der Überleitungsgeschwindigkeit oder die Veränderungen des Anisotropieverhältnisses eher moderat sind. Sicherlich würden die beobachteten Veränderungen das Substrat nicht in den Bereich der langsamen Erregungsleitung bringen, wie dies in mehreren neueren experimentellen484950 und theoretischen4451 Studien untersucht wurde. Unsere Analyse deutet darauf hin, dass der zytoplasmatische Widerstand und die zelluläre Geometrie viel wichtiger sind als allgemein angenommen, eine Schlussfolgerung, die auch von Spach und Kollegen vertreten wird.15475253

Wir haben krankheitsbedingte Veränderungen der Eigenschaften von Membran-Ionen- und Gap-Junction-Kanälen in unserer Analyse nicht berücksichtigt. Zweifellos erschweren solche pathophysiologischen Veränderungen das Verständnis der Arrhythmogenese bei akuter Ischämie, chronischem Myokardinfarkt, Hypertrophie und Herzinsuffizienz weiter.

Fußnoten