Gap Junctions in Cardiovascular Disease

A gap junctions, a sejtek közötti csatornákból álló speciális membránstruktúrák, számos szövet és szerv szomszédos sejtjeit kötik össze, ezáltal biztosítva a kémiai és elektromos kommunikációt. A szívben a réskapcsolatok biztosítják a sejtek közötti áramáramlás útjait, lehetővé téve az akciós potenciálok összehangolt terjedését. A közelmúltban számos jelentés jelent meg arról, hogy a réskapcsolatok eloszlásában, sűrűségében és tulajdonságaiban bekövetkező változások szerepet játszhatnak a különböző szívritmuszavarok kialakulásában és fennmaradásában. Jelen áttekintésben összefoglaljuk az ezekben a jelentésekben bemutatott adatokat, és megvitatjuk a funkcionális következményeket.

A réskapcsolati csatornák szerkezete és tulajdonságai

Az elmúlt évtizedben a réskapcsolati csatornák szerkezetét és tulajdonságait széles körben dokumentálták, amint azt több, a közelmúltban megjelent áttekintés is tárgyalja.1234

Az emlősök réskapcsolati csatornáit egy közel rokon génekből álló család által kódolt konnxinok építik fel. Valamennyi konnxin 4 erősen konzervált α-hélixes, membránt átívelő szegmensből áll, amelyeket 2 extracelluláris és 1 intracelluláris hurok választ el egymástól. Az amino- és karboxi végződések intracellulárisan helyezkednek el. Az emlősök connexin családjának tizenöt tagját azonosították. Elsősorban az intracelluláris hurok és a karboxi terminálisok szekvenciájában különböznek egymástól. A kardiomiociták között fehérjeszinten 3 connexint mutattak ki: connexin40 (Cx40), connexin43 (Cx43) és connexin45 (Cx45) (nevük a feltételezett molekulatömegük alapján kilodaltonban kifejezve).

Egy réscsatorna 2 félcsatorna (connexon) fej-fej mellett történő dokkolásával jön létre, amelyek mindegyike 6 connexin molekulából áll, amelyek hexagonálisan helyezkednek el egy vizes pórus körül. Mivel a dokkolást viszonylag konzervált extracelluláris hurkok közvetítik, számos, egyfajta konnxinból álló konnxon kombinálódhat más konnxinokból álló konnxonokkal, heterotípusos réskapcsolati csatornákat alkotva. Egy konnxon különböző konnxinokból is állhat5 (heteromer konnxon). A szívben különböző konnxinok kolokalizálódnak a gap junction plakkokban, de nem ismert, hogy léteznek-e heterotípusos és/vagy heteromer gap junction csatornák a szív- és érrendszerben.

A gap junction csatornák áteresztőek a <≈1 kDa molekulatömegű anyagok számára. Az áteresztőképesség a connexin típusától és a permeáló molekula töltésétől függ. A gap junction csatornák kapuzott ioncsatornaként viselkednek. Kardiomiocitákban az egycsatornás vezetőképesség a homotípusos Cx45 csatornák esetében ≈20 pS, a Cx43 csatornák esetében 75 pS és a Cx40 csatornák esetében ≈200 pS között mozog. A réskapcsolati konduktanciát modulálja a transzfunkcionális feszültség, az i6 és i, a konnxinok foszforilációs állapota és az extracelluláris zsírsavösszetétel.

A konnxinok expressziója is modulálódik. A hormonok fel- vagy leszabályozhatják a konnxin tartalmát. In vitro újszülött patkányszív sejtekben a cAMP drámaian felszabályozhatja a Cx43 expresszióját az akciós potenciál vezetési sebességének egyidejű növekedésével. A konnxinok turnoverje figyelemre méltóan gyors. A felnőtt patkányszívben például a felezési idő 1,3 óra.7

A réskapcsolatok eloszlása a normális szívizomban

A szívizomban a konnxinok regionálisan expresszálódnak: A Cx43 az egész szívben megtalálható, esetleg a nodális szövetek és a vezetési rendszer egyes részeinek kivételével.4 Emlős fajokban a Cx40 a pitvari szövetekben (a patkányszív kivételével) és a proximális vezetési rendszerben (a tengerimalac szív kivételével) expresszálódik.89 A Cx45 expressziója úgy tűnik, hogy a nodális szövetekre és a vezetési rendszerre korlátozódik,1011 de egyes jelentések1213 sokkal szélesebb körű eloszlást állítanak, valószínűleg egy nem teljesen specifikus anti-Cx45 antitest használata miatt.14 A mai napig nem mutattak ki más konnxinokat a kardiomiociták között.

A felnőtt kamrákban a gap junctions kizárólag Cx438-at tartalmaznak, és túlnyomórészt a sejtek közötti interkalált lemez (ID) régióban helyezkednek el. A kamrai szívizom anizotróp vezetési tulajdonságai az összekapcsolt sejtek geometriájától és a köztük lévő réskapcsolati plakkok számától, méretétől és elhelyezkedésétől függnek.15 Számos (immuno)-hisztokémiai és (elektron)mikroszkópos vizsgálat foglalkozott ezekkel a kérdésekkel. A gap junction plakkok többé-kevésbé szorosan egymás mellé rendezett 9-10 nm-es részecskékből álló tömbökből állnak, amelyek az egyes csatornákat képviselik. Normál körülmények között úgy tűnik, hogy a patkány gap junction plakkok ≈15%-ban tartalmaznak részecske-mentes teret,16 míg a nyúl gap junction plakkok részecskéi egybefüggőek.17 A csomóponti vezetőképesség szempontjából nincs nagy különbség, mivel a csatornák négyzetmikrométerenkénti alacsonyabb számát nagyrészt ellensúlyozza a hozzáférési ellenállás csökkenése18 (lásd alább). A réskapcsolati plakkok átlagos területe a humán kamrában19 0,21 μm2 -től a patkánykamrában2021 ≈0,45 μm2 -ig, a kutyakamrában pedig ≈4 μm2 -ig terjed.22 Az utóbbi esetben ez a terület a plakkok körülbelül felénél ≈1,5 μm2, a másik felénél ≈6,6 μm2 volt. Az (elektron)mikroszkópos212223 és (immun)hisztokémiai értékelésből1921242526 úgy tűnik, hogy a nagyobb gap junction plakkok az ID interplikációs régióiban (azaz a sejtek hossztengelyével többé-kevésbé párhuzamosan futó régiókban), a kisebbek pedig a plikációs régiókban helyezkednek el. Hoyt és munkatársai22 becslése szerint az egy sejtre jutó teljes réskapcsolati terület 80%-a az interplikációs régiókban található, ahol a réskapcsolatok mind a hosszanti, mind a keresztirányú vezetést szolgálhatják.

A kamrai szívizomsejteket az ID-k ≈10 szomszédos sejtekhez kötik.2226 A vezetési sebességet az egyes ID-kben található réskapcsolati plakkok területe határozza meg. A réskapcsolati plakkok teljes területe ID-nként 47-94 μm2 patkányokban,27 42 vagy 13,6 μm2 kutyákban,2223 és ≈10 μm2 emberekben.26

A pitvarban a réskapcsolati plakkok Cx43-at és Cx40-et is tartalmaznak.913 Leggyakrabban a Cx43 és a Cx40 ugyanabban a plakkban lokalizálódik, anélkül, hogy bármelyik konnxin preferenciálisan elhelyezkedne a laterális sejthatárokon vagy az ID plakkokban.9 A pitvarban nem állnak rendelkezésre adatok a réskapcsolati plakkok ID-nkénti területének kiszámításához.

A kamrai szívizomzatban a Cx40 expressziója a vezetési rendszerre korlátozódik8. A legtöbb emlősfajban a Cx43 nincs jelen a proximális részen (His bundle, bundle branches), míg a bundle branches és a Purkinje-rostok disztálisabb régióiban a Cx40 és a Cx43 együttesen expresszálódik.28 Xenopus oocytákban a Cx43 és a Cx40 nem képes funkcionális heterotípusos gap junction csatornákat képezni,29 és azt feltételezték, hogy a proximális vezetési rendszerben a connexin eloszlása az akciós potenciál gyors terjedését szolgálja a disztális részek felé, anélkül, hogy a környező szeptális myocytáknak a gap junctions-en keresztül áramveszteséget okozna. Emlősökben azonban a Cx40 és Cx43 konnxonok inkompatibilitása kevésbé tűnik egyértelműnek.30 Egérszívben a Cx45 az egész atrioventrikuláris csomóban, a His-kötegben és a kötegágakban expresszálódik.10 A Cx40 expressziója a His-köteg és a kötegágak magjára korlátozódik.10

A réskapcsolatok eloszlása a beteg szívizomban

Majdnem minden szívbetegségben, amely aritmiára hajlamosít, a réskapcsolatok eloszlásának és számának változásáról (réskapcsolati remodelling) számoltak be. Előrehaladott iszkémiás betegségben egy ≈5 sejtrétegből álló keskeny zónát észleltek, amely a gyógyult szívizominfarktusokat határolja.24 Ebben a zónában a réskapcsolatok normális eloszlása a végtől végig elhelyezkedő ID-kben megszakadt a Cx43-tartalmú foltok oldalsó sejthatárok felé történő eltolódásával, a foltok méretének változása nélkül. Normális, iszkémiás és hipertrófiás emberi bal kamrákban azonos méretű anti-Cx43 festődésű foltok voltak, de a Cx43 teljes mennyisége 40%-kal csökkent a beteg szívekben.26 A sejtenkénti ID-k száma nem különbözött a normális és a beteg szívekben, ami arra utal, hogy a sejtgeometria nem változott drámaian. Másrészt reverzibilisen iszkémiás és hibernált emberi kamrában a Cx43 plakkok méretének 23%-os, illetve 33%-os csökkenését figyelték meg az érintett régiókban,19 a normális szívizomban nem volt változás. Ezekben a kísérletekben a Cx43 foltok eltolódását figyelték meg a végponttól a végponttól az oldalirányú elhelyezkedés felé; ezt az eltolódást hipertrófiás kardiomiopátiában is jelentették.25

A pangásos szívelégtelenség tengerimalac modelljében a Cx43 37%-os általános csökkenését figyelték meg a pangásos szívelégtelenség stádiumában 6 hónapos aortabandírozást követően, míg a kompenzált hipertrófia stádiumában nem tapasztaltak változást.31 A közelmúltban patkányban a monokrotalin által kiváltott pulmonális hipertónia által okozott 4 hetes jobb kamrai hipertrófiát követően a réskapcsolati terület ID-nkénti 35%-os csökkenéséről számoltak be32 , ami a hosszirányú vezetési sebesség (ΘL) 30%-os csökkenésével járt együtt. Ezzel egyidejűleg számos Cx43-pozitív folt jelent meg a sejtek oldalsó határai mentén. A transzverzális irányú vezetési sebesség (ΘT) és a teljes Cx43-tartalom, immunoblottinggal megítélve, nem változott. A szerzők arra a következtetésre jutottak, hogy a réskapcsolati plakkok újraeloszlása magyarázhatja a csökkent anizotrópia arányt (ΘL/ΘT). Ugyanakkor a sejtátmérő megfigyelt 55%-os növekedése is szerepet játszhat. Peters és munkatársai33 szoros korrelációt mutattak ki a 8-as alakú reentráns aritmiák indukálhatósága és a réskapcsolati eloszlás zavara között a 4 napos infarktusokat határoló epikardiális szövetekben a kutyakamrákban. Különösen az infarktusos régió nekrotikus sejtjeihez közeli és néha azokkal interdigitáló életképes sejtek mutattak kiterjedt Cx43-jelölést az oldalsó sejthatárokon.

Úgy tűnik, hogy a gap junctions lateralizációja a beteg szívizom kiemelkedő jellemzője. Nem teljesen világos azonban, hogy ez a lateralizáció milyen mértékben járulhat hozzá a megváltozott vezetési tulajdonságokhoz, mivel nemrégiben kimutatták34 , hogy a gyógyult infarktusokkal határos patkány kamrai sejtekben a laterális réskapcsolati plakkok közül sok a szarkolemma sejtbelsőbe irányuló invaginációiban helyezkedik el, és így nem járul hozzá a sejtek közötti kommunikációhoz. Hasonló megfigyelést tettek jobb kamrai hipertrófiában is.32

Bár mennyiségi adatok ritkák, a beteg szívizomban egy másik gyakori megfigyelés, hogy a réskapcsolatok területe ID-nként 30-40%-kal csökken. A (poszt)iszkémiás kamrákban ez a csökkenés az érintett terület körüli néhány sejtrétegre korlátozódik, míg a hipertrófiás kamrákban a csökkenés szélesebb körű. Ebből a megfigyelésből önmagában vagy a laterális réskapcsolati plakkok megnövekedett sűrűségével együtt csökkent anizotrópiaarányt jósolnánk. Egy tanulmány23 szerint az infarktus határzónáiban megnövekedett anizotrópiaarányt feltételeztek. Ez a növekedés részben a laterális (lemezek közötti) réskapcsolati sűrűség csökkenésének, részben pedig a szomszédos sejtekkel oldalirányú kapcsolatokkal rendelkező sejtek számának csökkenésének volt köszönhető.

A réskapcsolati sűrűség és eloszlás változásai a beteg pitvari szövetekben kevésbé jól dokumentáltak. Gyorsan pacingolt kutyák pitvaraiban a Cx43-pozitív foltok számának növekedéséről számoltak be,35 különösen a laterális sejthatárokon. Kecskék pitvarában 16 hetes tartós pitvarfibrillációt (AF) követően nem találtak nyilvánvaló változásokat a Cx43 sűrűségében és eloszlásában,3637 bár némi defoszforiláció történt. A Cx40 fehérje hiányzott a pitvari szövet 0,15-0,6 mm-es foltjaiból 16 hét AF után, a Cx40 mRNS csökkenése nélkül. A Cx40 fehérje foltos csökkenése 2 hetes AF után volt nyilvánvaló, nagyjából ugyanabban az időben, amikor az AF tartóssá vált. Hogy a Cx40-nek ez a csökkenése ok-okozati összefüggésben áll-e az AF fennmaradásával, azt még meg kell határozni.

Az adatok a gap junction remodelling részvételéről a vezetési rendszerből vagy a csomószövetből származó ritmuszavarokban csak most kezdenek beszámolni.38394040

Gap Junctions and Conduction Velocity

Effective gj

Egyszerű számítógépes szimulációkat végeztünk, hogy megvizsgáljuk a gap junctions sűrűségének és eloszlásának változásai hatását az akciós potenciál vezetési sebességére. Először is meghatároztuk az effektív réskapcsolati vezetőképességet (gj, korrigálva a citoplazma hozzáférési ellenállása által okozott elektromos mezőhatásokkal) a korábban közzétett modellünk18 segítségével, és feltételezve, hogy a Cx43 egycsatornás vezetőképessége 75 pS 37°C-on41 és minden csatorna vezető állapotban van (de lásd a 42. hivatkozást ). Az 1A. ábra azt mutatja, hogy a citoplazmatikus hozzáférési ellenállás hatásai már viszonylag kis réskapcsolatok esetén is nyilvánvalóak, és a réskapcsolat méretének növekedésével egyre szembetűnőbbé válnak. A gap junctions >0.5 μm2 -en az effektív vezetőképesség <50%-a annak az értéknek, amelyet az adott területen lévő összes csatorna egyedi vezetőképességének egyszerű összeadásával kapunk (korrigálatlan vezetőképesség), és >4 μm2 -en a hatékony vezetőképesség még <20%. Következésképpen az egységnyi felületre jutó gj nem állandó, hanem a réskapcsolat méretének növekedésével csökken (1B. ábra). Az effektív vezetőképesség 0,3-0,5 μS/μm2 a kis és közepes méretű réskapcsolatoknál (0,3-1,5 μm2) és <0,2 μS/μm2 a nagy réskapcsolatoknál (>5 μm2). Amint azt fentebb tárgyaltuk, a résátmenet felülete általában 10 és 40 μm2 között mozog ID-nként. Ha 0,3 μS/μm2 átlagos effektív vezetőképességgel számolunk, akkor a szomszédos sejtek közötti effektív gj ID-nként 3-12 μS.

Vezetési sebesség

A következőkben a gj jelentőségét vizsgáltuk a vezetési sebesség szempontjából. Egy 50 sejtből álló lineáris szálban a legbaloldali sejtet 1 Hz-es frekvenciával stimuláltuk, és kiszámítottuk a vezetési sebességet a szál középső harmadában. A sejtek vagy egymás mellett, vagy egymás mellett helyezkedtek el, és a szomszédos sejtek állandó (effektív) gj-n keresztül kapcsolódtak egymáshoz (2A. ábra). Priebe és Beuckelmann43 humán kamrai sejtmodelljét használtuk a kábelegyenlet numerikus ábrázolásában, hasonlóan a Shaw és Rudy által vizsgálthoz,44 a citoplazma ellenállásának 150 Ω cm-es értékével.45

A humán kamrákról közölt ≈70 cm/s-os ΘL értékek eléréséhez46 7,0 μS vezetőképességre van szükség (2B ábra). Ez jól egyezik a fenti, morfometriai adatokból becsült 3-12 μS értékkel. Ugyanez a 7,0 μS vezetőképesség 30 cm/s-os ΘT-t eredményez. Normál körülmények között a ΘL meglehetősen érzéketlen a gj változásaira: a vezetőképesség felére csökkentésével csak 9 cm/s (13%) csökken. A ΘT érzékenyebb a gj változására: a vezetőképesség felére csökken 36%-kal. A ΘL relatív érzéketlensége a gj változásaira a réskapcsolati ellenállással magyarázható, amelyet a gj és a sejtméretek alapján számoltunk ki (2C ábra). Hosszirányú vezetés esetén (a 2C. ábrán a kitöltött körökkel jelölt folytonos vonal) a réskapcsolati ellenállás a 150 Ω cm-es citoplazma ellenállás alá esik (vízszintes szaggatott vonal) már 2,5 μS gj értékeknél is, míg keresztirányú vezetés esetén a réskapcsolati ellenállás sokkal nagyobb, mint a citoplazma ellenállása a gj minden értékénél (szaggatott vonal nyitott négyzetekkel). Ebből arra következtetünk, hogy a vezetési sebesség, különösen a ΘL, csak mérsékelten érzékeny az effektív gj változásaira. Ezenkívül a sejtméretek (a sejthossz és a sejtszélesség aránya) jelentős szerepet játszhatnak a vezetési sebesség (anizotrópiájának) meghatározásában. Ez összhangban van Spach és munkatársai47 következtetésével, miszerint a sejtméret fontosabb lehet, mint a gap junction eloszlás.

Funkcionális implikációk

A szimulációs eredmények fontos fenntartásokat jelentenek az (immuno)hisztokémiai vagy (elektron)mikroszkópos vizsgálatokból származó kvantitatív adatok értelmezéséhez. A teljes réskapcsolati tartalom akár 40%-os csökkenése a réskapcsolati plakkok méretének változása nélkül, ahogyan azt beteg emberi szívekben megfigyelték,26 önmagában csak mérsékelt hatással lehet a vezetési sebességre. Ha a sejtek közötti normál gj 5 μS, a 40%-os csökkenés 3 μS-re a ΘL 11%-os csökkenését eredményezi 65-ről 58 cm/s-ra, és a ΘT 27%-os csökkenését 24-ről 18 cm/s-ra (2B ábra). A kapcsolódó anizotrópia arány 22%-kal, 2,7-ről 3,3-ra nő. Más esetekben az általános réskapcsolati tartalom változatlan maradt, de eltolódás következett be a laterális sejthatárok felé.2532 A 40%-os eltolódás 11%-kal csökkenti a ΘL-t és 25%-kal növeli a ΘT-t, ami az anizotrópia arány 29%-os csökkenését eredményezi. Ha az új laterális réskapcsolatok intracellulárisan helyezkednek el,3234 a ΘT esetleg egyáltalán nem változik.

Következtető megjegyzések

A beteg kamraszövetben a réskapcsolatok átalakulásával foglalkozó számos tanulmányban a szerzők arra a következtetésre jutottak, hogy a vezetési sebesség csökkenése fokozhatja a reentráns aritmiákra való hajlamot. A korlátozottan rendelkezésre álló adatok jelen elemzése azonban azt jelzi, hogy a vezetési sebesség csökkenése vagy az anizotrópia arányának változása valójában mérsékelt lehet. Az biztos, hogy a megfigyelt változások nem helyezik a szubsztrátot a lassú vezetés birodalmába, ahogyan azzal számos közelmúltbeli kísérleti484950 és elméleti4451 tanulmány foglalkozik. Elemzésünk azt jelzi, hogy a citoplazma ellenállása és a sejtgeometria sokkal fontosabb, mint azt általában gondolják, ezt a következtetést Spach és munkatársai is támogatják.15475253

Az elemzésünkben nem vettük figyelembe a membránionok és a gap junction csatornák tulajdonságainak betegség okozta változásait. Kétségtelen, hogy az ilyen patofiziológiai változások tovább bonyolítják az aritmogenezis megértését akut iszkémia, krónikus szívinfarktus, hipertrófia és szívelégtelenség esetén.

Lábjegyzetek