Gap Junctions in Cardiovascular Disease

Las gap junctions, estructuras de membrana especializadas formadas por conjuntos de canales intercelulares, conectan células adyacentes en muchos tejidos y órganos, proporcionando así comunicación química y eléctrica. En el corazón, las uniones en hueco proporcionan las vías para el flujo de corriente intercelular, permitiendo la propagación coordinada del potencial de acción. Recientemente, se han publicado numerosos informes que sugieren que los cambios en la distribución, la densidad y las propiedades de las uniones intercelulares pueden estar implicados en el inicio y la persistencia de diversas arritmias cardíacas. En la presente revisión, resumimos los datos presentados en estos informes y discutimos las implicaciones funcionales.

Estructura y propiedades de los canales de unión de brecha

En la última década, la estructura y las propiedades de los canales de unión de brecha se han documentado ampliamente, como se discute en varias revisiones recientes.1234

Los canales de unión de brecha de los mamíferos están formados por anexinas codificadas por una familia de genes estrechamente relacionados. Todas las conexinas constan de 4 segmentos α-helicoidales altamente conservados que atraviesan la membrana, separados por 2 bucles extracelulares y 1 intracelular. Los terminales amino y carboxi están localizados intracelularmente. Se han identificado quince miembros de la familia de las conexinas de mamíferos. Difieren principalmente en la secuencia de sus bucles intracelulares y terminales carboxílicos. Entre los cardiomiocitos, se han detectado 3 anexinas a nivel proteico: anexina40 (Cx40), anexina43 (Cx43) y anexina45 (Cx45) (denominadas por su masa molecular putativa en kilodaltons).

Un canal de unión de huecos está formado por el acoplamiento cabeza a cabeza de 2 hemicanales (anexones), cada uno compuesto por 6 moléculas de anexina dispuestas hexagonalmente alrededor de un poro acuoso. Dado que el acoplamiento está mediado por bucles extracelulares relativamente conservados, muchos anexones compuestos por un tipo de anexina pueden combinarse con anexones compuestos por otras anexinas para formar canales de unión heterotípicos. Un conexón también puede estar compuesto por diferentes anexinas5 (conexón heteromérico). En el corazón, diferentes conexinas se colocalizan en las placas de unión de huecos, pero se desconoce si existen canales de unión de huecos heterotípicos y/o heteroméricos en el sistema cardiovascular.

Los canales de unión de huecos son permeables a sustancias con un peso molecular de <≈1 kDa. La permeabilidad depende del tipo de anexina y de la carga de la molécula permeante. Los canales de unión de brecha se comportan como canales iónicos cerrados. En los cardiomiocitos, las conductancias de un solo canal oscilan entre ≈20 pS para los canales homotípicos Cx45 y 75 pS para los canales Cx43 y hasta ≈200 pS para los canales Cx40. La conductancia de la unión de brecha está modulada por el voltaje transjuncional, por i6 e i, por el estado de fosforilación de las conexinas y por la composición de ácidos grasos extracelulares.

La expresión de las conexinas también está modulada. Las hormonas pueden regular al alza o a la baja el contenido de anexinas. En las células cardíacas neonatales de rata in vitro, el AMPc puede aumentar drásticamente la expresión de Cx43 con un aumento concomitante de la velocidad de conducción del potencial de acción. El recambio de anexinas es notablemente rápido. En el corazón de la rata adulta, por ejemplo, la vida media es de 1,3 horas.7

Distribución de las conexiones en el miocardio normal

En el miocardio, las conexinas se expresan regionalmente: La Cx43 se encuentra en todo el corazón, con la posible excepción de los tejidos nodales y partes del sistema de conducción.4 En las especies de mamíferos, la Cx40 se expresa en el tejido auricular (con la excepción del corazón de rata) y en el sistema de conducción proximal (con la excepción del corazón de cobaya).89 La expresión de la Cx45 parece estar limitada a los tejidos nodales y al sistema de conducción,1011 pero algunos informes1213 afirman una distribución mucho más amplia, probablemente debido al uso de un anticuerpo anti-Cx45 no completamente específico.14 Hasta la fecha no se han detectado otras conexinas entre los cardiomiocitos.

En los ventrículos adultos, las gap junctions contienen exclusivamente Cx438 y se localizan predominantemente en la región del disco intercalado (ID) entre las células. Las propiedades conductoras anisotrópicas del miocardio ventricular dependen de la geometría de las células interconectadas y del número, el tamaño y la ubicación de las placas de unión de huecos entre ellas.15 Muchos estudios (inmunohistoquímicos) y de microscopía (electrónica) han abordado estas cuestiones. Las placas de unión de huecos están formadas por conjuntos de partículas más o menos compactas de 9 a 10 nm, que representan canales individuales. En condiciones normales, las placas de gap junction de rata parecen contener ≈15% de espacio libre de partículas,16 mientras que las partículas de las placas de gap junction de conejo son contiguas.17 En términos de conductancia de la unión, hay poca diferencia, porque el menor número de canales por micrómetro cuadrado se compensa en gran medida por la disminución de la resistencia de acceso18 (véase más adelante). El área media de la placa de unión de huecos oscila entre 0,21 μm2 en el ventrículo humano19 y ≈0,45 μm2 en el ventrículo de la rata2021, y hasta ≈4 μm2 en el ventrículo canino.22 En este último caso, esta área era ≈1,5 μm2 para aproximadamente la mitad de las placas y ≈6,6 μm2 para la otra mitad. De la evaluación (electrónica)microscópica212223 e (inmuno)histoquímica,1921242526 se desprende que las placas de unión de huecos más grandes se localizan en las regiones interplicadas del ID (es decir, en regiones más o menos paralelas al eje largo de las células) y que las más pequeñas se localizan en las regiones plicadas. Hoyt et al22 estimaron que el 80% del área total de las uniones gap por célula se localiza en las regiones interplicadas, donde las uniones gap pueden servir tanto para la conducción longitudinal como transversal.

Los miocitos ventriculares están conectados por IDs a ≈10 células vecinas.2226 La velocidad de conducción está determinada por el área de la placa de unión gap en cada una de estas IDs. El área total de la placa de unión de huecos por ID es de 47 a 94 μm2 en ratas,27 42 o 13,6 μm2 en perros,2223 y ≈10 μm2 en humanos.26

En la aurícula, las placas de unión de huecos contienen tanto Cx43 como Cx40.913 La mayoría de las veces, Cx43 y Cx40 se localizan en las mismas placas sin que haya una localización preferente de ninguna de las dos conexinas en los bordes celulares laterales o en las placas de ID.9 No se dispone de datos para calcular el área de la placa de unión de huecos por ID en la aurícula.

En el miocardio ventricular, la expresión de Cx40 se limita al sistema de conducción.8 En la mayoría de las especies de mamíferos, la Cx43 no está presente en la parte proximal (haz de His, ramas del haz), mientras que en las regiones más distales de las ramas del haz y las fibras de Purkinje, la Cx40 y la Cx43 se coexpresan28. En los ovocitos de Xenopus, la Cx43 y la Cx40 no pueden formar canales de unión heterotípica funcionales,29 y se sugirió que la distribución de anexinas en el sistema de conducción proximal serviría para propagar el potencial de acción rápidamente a las partes distales sin que se pierda la corriente a través de las uniones en hueco hacia los miocitos septales circundantes. Sin embargo, en las células de mamíferos, la incompatibilidad de las conexinas Cx40 y Cx43 parece menos clara.30 En los corazones de ratón, la Cx45 se expresa en todo el nodo auriculoventricular, el haz de His y las ramas del haz.10 La expresión de la Cx40 se limita al núcleo del haz de His y las ramas del haz.10

Distribución de las Gap Junctions en el miocardio enfermo

En prácticamente todas las enfermedades cardíacas que predisponen a las arritmias, se han descrito cambios en la distribución y el número de gap junctions (remodelación de las gap junctions). En la enfermedad isquémica avanzada, se ha detectado una zona estrecha formada por ≈5 capas de células que bordean los infartos de miocardio cicatrizados.24 En esta zona, la distribución normal de las gap junctions en las ID situadas de extremo a extremo se ha visto alterada con un desplazamiento de las manchas que contienen Cx43 hacia los bordes laterales de las células sin que se produzcan cambios en el tamaño de las manchas. Los ventrículos izquierdos humanos normales, isquémicos e hipertrofiados mostraron placas de tinción anti-Cx43 de igual tamaño, pero la cantidad total de Cx43 se redujo en un 40% en los corazones enfermos.26 El número de DI por célula no fue diferente en los corazones normales y enfermos, lo que implica que la geometría celular no había cambiado drásticamente. Por otra parte, en el ventrículo humano reversiblemente isquémico e hibernado, se observó una reducción del tamaño de la placa de Cx43 del 23% y del 33%, respectivamente, en las regiones afectadas,19 sin cambios en el miocardio normal. En estos experimentos, se observó un desplazamiento de las manchas de Cx43 desde una ubicación de extremo a extremo a una ubicación lateral; este desplazamiento también se informó en la cardiomiopatía hipertrófica.25

En un modelo de conejillo de indias de insuficiencia cardíaca congestiva, se observó una reducción general de Cx43 del 37% en la etapa de insuficiencia cardíaca congestiva después de 6 meses de anillado aórtico, mientras que en la etapa de hipertrofia compensada, no se observaron cambios.31 Recientemente, se informó de una disminución del 35% en el área de unión de huecos por ID32 tras 4 semanas de hipertrofia ventricular derecha causada por hipertensión pulmonar inducida por monocrotalina en la rata, concomitantemente con una disminución del 30% en la velocidad de conducción longitudinal (ΘL). Al mismo tiempo, aparecieron numerosas manchas positivas para Cx43 a lo largo de los bordes laterales de las células. La velocidad de conducción en dirección transversal (ΘT) y el contenido total de Cx43, según la inmunotransferencia, no se vieron afectados. Los autores concluyeron que la redistribución de las placas de unión de huecos puede explicar la reducción de la relación de anisotropía (ΘL/ΘT). Sin embargo, el aumento observado del 55% en el diámetro de las células también puede desempeñar un papel. Peters et al33 demostraron una estrecha correlación entre la inducibilidad de las arritmias reentrantes en forma de 8 en el tejido epicárdico que bordea los infartos de 4 días de edad en los ventrículos caninos y la alteración de la distribución de las uniones gap. Especialmente las células viables cercanas a las células necróticas de la región infartada, y que a veces se interdigitan con ellas, mostraron una amplia rotulación de Cx43 en los bordes celulares laterales.

Parece que la lateralización de las gap junctions es una característica prominente del miocardio enfermo. Sin embargo, no está del todo claro hasta qué punto esta lateralización puede contribuir a la alteración de las propiedades de conducción, ya que recientemente se ha demostrado34 que en las células ventriculares de rata que bordean los infartos curados, muchas de las placas de uniones gap laterales se localizan en invaginaciones del sarcolema en el interior de la célula, por lo que no contribuyen a la comunicación entre células. Se ha hecho una observación comparable en la hipertrofia ventricular derecha.32

Aunque los datos cuantitativos son escasos, otro hallazgo común en el miocardio enfermo es una reducción del 30% al 40% del área de las uniones gap por ID. En los ventrículos (post)isquémicos, esta reducción se limita a unas pocas capas celulares alrededor de la zona afectada, mientras que en los ventrículos hipertróficos, la reducción es más generalizada. A partir de esta observación, por sí sola o junto con un aumento de la densidad de las placas de unión lateral, se podría predecir una relación de anisotropía reducida. En un estudio,23 se ha sugerido un aumento de la relación de anisotropía en las zonas del borde del infarto. Este aumento se debió en parte a una reducción de la densidad de las uniones gap laterales (interplicadas) y en parte a una disminución del número de células que tienen conexiones de lado a lado con las células vecinas.

Los cambios en la densidad y distribución de las uniones gap en el tejido auricular enfermo están menos documentados. En las aurículas caninas de ritmo rápido, se informó de un aumento de puntos positivos para Cx43,35 especialmente en los bordes celulares laterales. En la aurícula de cabra, no se encontraron cambios aparentes en la densidad y distribución de Cx43 tras 16 semanas de fibrilación auricular (FA) sostenida,3637 aunque se había producido cierta desfosforilación. La proteína Cx40 estaba ausente en parches de 0,15 a 0,6 mm de tejido auricular tras 16 semanas de FA, sin que se produjera una reducción del ARNm de Cx40. La reducción en parches de la proteína Cx40 fue evidente después de 2 semanas de FA, más o menos al mismo tiempo que la FA se hizo sostenida. Queda por determinar si esta reducción de Cx40 está relacionada de forma causal con la persistencia de la FA.

Los datos sobre la implicación de la remodelación de las uniones gap en las arritmias que se originan en el sistema de conducción o en el tejido nodal están empezando a ser comunicados.383940

Juntas de brecha y velocidad de conducción

Gj efectiva

Realizamos algunas simulaciones informáticas sencillas para comprobar los efectos de los cambios en la densidad y distribución de las uniones de brecha en la velocidad de conducción del potencial de acción. En primer lugar, determinamos la conductancia efectiva de las uniones en hendidura (gj, corregida por los efectos del campo eléctrico causados por la resistencia de acceso citoplasmática) utilizando nuestro modelo previamente publicado18 y asumiendo que la conductancia del canal único Cx43 es de 75 pS a 37°C41 y que todos los canales están en su estado de conducción (pero véase la referencia 42). La Figura 1A muestra que los efectos de la resistencia de acceso citoplasmática ya son evidentes para uniones de hueco relativamente pequeñas y se vuelven más prominentes con el aumento del tamaño de la unión de hueco. Para las gap junctions >0.5 μm2, la conductancia efectiva es <50% del valor obtenido simplemente sumando las conductancias individuales de todos los canales en un área determinada (conductancia no corregida), y para uniones en hueco >4 μm2, la conductancia efectiva es incluso <20%. En consecuencia, la gj por unidad de superficie no es constante, sino que disminuye con el aumento del tamaño de la unión gap (Figura 1B). La conductancia efectiva es de 0,3 a 0,5 μS/μm2 para las uniones gap de tamaño pequeño a moderado (0,3 a 1,5 μm2) y <0,2 μS/μm2 para las uniones gap grandes (>5 μm2). Como se ha comentado anteriormente, la superficie de las uniones gap suele oscilar entre 10 y 40 μm2 por ID. Si se utiliza una conductancia efectiva media de 0,3 μS/μm2, el gj efectivo por ID entre células vecinas es de 3 a 12 μS.

Velocidad de conducción

A continuación, evaluamos la importancia del gj para la velocidad de conducción. Estimulamos la célula más a la izquierda en una cadena lineal de 50 células a una frecuencia de 1 Hz y calculamos la velocidad de conducción a través del tercio medio de la cadena. Las células estaban dispuestas una al lado de la otra o una al lado de la otra, y las células vecinas estaban conectadas a través de un gj constante (efectivo) (Figura 2A). Utilizamos el modelo de célula ventricular humana de Priebe y Beuckelmann43 en una representación numérica de la ecuación del cable similar a la explorada por Shaw y Rudy,44 con un valor de 150 Ω cm para la resistividad citoplasmática.45

Para obtener valores de ΘL de ≈70 cm/s como se informó para los ventrículos humanos,46 se requiere una conductancia de 7,0 μS (Figura 2B). Esto concuerda bien con el valor anterior de 3 a 12 μS estimado a partir de los datos morfométricos. La misma conductancia de 7,0 μS da como resultado un ΘT de 30 cm/s. En condiciones normales, ΘL es bastante insensible a los cambios en gj: disminuye sólo 9 cm/s (13%) al reducir la conductancia a la mitad. ΘT es más sensible a los cambios de gj: disminuye un 36% al reducir la conductancia a la mitad. La relativa insensibilidad de ΘL a los cambios en gj puede explicarse en términos de la resistividad de la unión, que calculamos a partir de gj y las dimensiones de la célula (Figura 2C). Para la conducción longitudinal (línea sólida con círculos rellenos en la Figura 2C), la resistividad de la unión de la brecha cae por debajo de la resistividad citoplasmática de 150 Ω cm (línea punteada horizontal) en valores de gj tan pequeños como 2,5 μS, mientras que para la conducción transversal, la resistividad de la unión de la brecha es mucho mayor que la resistividad citoplasmática en todos los valores de gj (línea punteada con cuadrados abiertos). Por lo tanto, concluimos que la velocidad de conducción, particularmente ΘL, es sólo moderadamente sensible a los cambios en gj efectivo. Además, las dimensiones de la célula (relación entre la longitud y la anchura de la célula) pueden desempeñar un papel importante en la determinación de la velocidad de conducción (anisotropía). Esto es coherente con la conclusión de Spach et al47 de que el tamaño de la célula puede ser más importante que la distribución de las uniones gap.

Implicaciones funcionales

Los resultados de la simulación constituyen importantes advertencias para la interpretación de los datos cuantitativos de los estudios (inmuno)histoquímicos o de microscopía (electrónica). Una reducción en el contenido total de las uniones en hasta un 40% sin cambios en el tamaño de las placas de unión, como se ha observado en corazones humanos enfermos,26 puede tener por sí misma sólo efectos moderados en la velocidad de conducción. Si la gj normal entre las células es de 5 μS, una reducción del 40% a 3 μS da lugar a una disminución del 11% en ΘL de 65 a 58 cm/s y a una disminución del 27% en ΘT de 24 a 18 cm/s (Figura 2B). La relación de anisotropía asociada aumenta un 22%, de 2,7 a 3,3. En otros casos, el contenido global de las uniones gap se mantuvo sin cambios, pero se produjo un desplazamiento hacia los bordes laterales de las células.2532 Un desplazamiento del 40% reduciría ΘL en un 11% y aumentaría ΘT en un 25%, dando lugar a una disminución del 29% en la relación de anisotropía. Si las nuevas uniones gap laterales están localizadas intracelularmente,3234 es posible que ΘT no cambie en absoluto.

Observaciones finales

En muchos estudios que implican la remodelación de las uniones gap en el tejido ventricular enfermo, los autores han llegado a la conclusión de que una disminución de la velocidad de conducción puede aumentar la propensión a las arritmias por reentrada. Sin embargo, el presente análisis de los limitados datos disponibles indica que la reducción de la velocidad de conducción o los cambios en la relación de anisotropía pueden ser realmente moderados. Ciertamente, los cambios observados no situarían al sustrato en el ámbito de la conducción lenta, tal y como se aborda en varios estudios experimentales484950 y teóricos4451 recientes. Nuestro análisis indica que la resistividad citoplasmática y la geometría celular son mucho más importantes de lo que comúnmente se cree, una conclusión que también defienden Spach y sus colegas.15475253

No incorporamos en nuestro análisis los cambios inducidos por la enfermedad en las propiedades de los canales iónicos de membrana y de la unión en hueco. Sin duda, estos cambios fisiopatológicos complican aún más la comprensión de la arritmogénesis en la isquemia aguda, el infarto de miocardio crónico, la hipertrofia y la insuficiencia cardíaca.

Notas a pie de página