Junções de Gap na Doença Cardiovascular

Junções de Gap, estruturas de membrana especializadas que consistem em matrizes de canais intercelulares, conectam células adjacentes em muitos tecidos e órgãos, proporcionando assim comunicação química e elétrica. No coração, as junções de fendas fornecem as vias para o fluxo de corrente intercelular, possibilitando a propagação coordenada do potencial de ação. Recentemente, inúmeros relatos têm sido publicados sugerindo que mudanças na distribuição, densidade e propriedades da junção de fendas podem estar envolvidas no início e persistência de várias arritmias cardíacas. Na presente revisão, resumimos os dados apresentados nesses relatórios e discutimos as implicações funcionais.

Estrutura e propriedades dos canais de junção entre fendas

Na última década, a estrutura e propriedades dos canais de junção entre fendas foram amplamente documentadas, como discutido em várias revisões recentes.1234

Canais de junção entre fendas de mamíferos são construídos de connexões codificadas por uma família de genes intimamente relacionados. Todos os connexins consistem de 4 segmentos de membrana altamente conservados α – segmentos de membranas helicoidais separadas por 2 segmentos extracelulares e 1 laço intracelular. Os terminais de amino e carboxi estão localizados intracelularmente. Foram identificados 15 membros da família das connexinas de mamíferos. Eles diferem principalmente na sequência das suas alças intracelulares e terminais carboxílicos. Entre cardiomiócitos, 3 connexinas foram detectadas a nível proteico: connexin40 (Cx40), connexin43 (Cx43) e connexin45 (Cx45) (nome dado pela sua massa molecular putativa em kilodaltons).

Um canal de junção é formado por um acoplamento cabeça a cabeça de 2 hemicanais (connexons), cada um composto de 6 moléculas de connexina dispostas hexagonalmente ao redor de um poro aquoso. Como a acoplagem é mediada por loops extracelulares relativamente conservados, muitos connexões compostos de um tipo de connexina podem combinar-se com connexões feitos de outros connexões para formar canais de junção de fendas heterotípicas. Um connexon também pode ser composto por diferentes connexins5 (connexon heteromérico). No coração, diferentes connexins colocam-se em placas de junção de fendas, mas não se sabe se existem canais de junção de fendas heterotípicas e/ou heteroméricas no sistema cardiovascular.

p>Canal de junção de fendas são permeáveis a substâncias com um peso molecular de <≈1 kDa. A permeabilidade depende do tipo de connexina e da carga da molécula que permeia. Os canais de junção da fenda comportam-se como canais de íons fechados. Nos cardiomiócitos, as condutâncias de canal único variam de ≈20 pS para canais Cx45 homotípicos a 75 pS para canais Cx43 e a ≈200 pS para canais Cx40. A condutância de junção da fenda é modulada pela tensão transjuncional, por i6 e i, pelo estado de fosforilação das connexinas e pela composição de ácidos graxos extracelulares.

Expressão de connexina também é modulada. As hormonas podem upregular ou desregular o conteúdo de connexinas. Em células cardíacas de ratos neonatais in vitro, o cAMP pode upregular dramaticamente a expressão de Cx43 com um aumento concomitante da velocidade de condução do potencial de ação. A rotação dos connexins é notavelmente rápida. No coração do rato adulto, por exemplo, a meia-vida é de 1,3 horas.7

Distribuição da Junção em Miocárdio Normal

No miocárdio, as connexinas são expressas regionalmente: Cx43 é encontrada em todo o coração, com a possível exceção dos tecidos nodais e partes do sistema de condução.4 Nas espécies de mamíferos, Cx40 é expressa em tecido atrial (com exceção do coração de rato) e no sistema de condução proximal (com exceção do coração de cobaia).89 A expressão de Cx45 parece estar limitada aos tecidos nodais e ao sistema de condução,1011 mas alguns relatos1213 afirmam uma distribuição muito mais ampla, provavelmente devido ao uso de um anticorpo anti-Cx45 não completamente específico.14 Nenhum outro anexo foi detectado entre cardiomiócitos até o momento.

Em ventrículos adultos, as junções de fendas contêm exclusivamente Cx438 e estão localizadas predominantemente na região do disco intercalado (ID) entre as células. As propriedades condutoras anisotrópicas do miocárdio ventricular dependem da geometria das células interconectadas e do número, tamanho e localização das placas de junção entre elas.15 Muitos estudos (imuno)-histoquímicos e (elétron)microscópicos têm abordado estas questões. As placas de junção da fenda consistem em matrizes de partículas mais ou menos compactas de 9 a 10 nm, representando canais individuais. Em condições normais, as placas de junção da fenda do rato parecem conter ≈15% de espaço livre de partículas,16 enquanto as partículas das placas de junção da fenda do coelho são contíguas.17 Em termos de condutância juncional, há pouca diferença, pois o menor número de canais por micrômetro quadrado é largamente compensado pela diminuição da resistência de acesso18 (ver abaixo). A área média da placa de junção de fenda varia de 0,21 μm2 no ventrículo humano19 a ≈0,45 μm2 no ventrículo de rato2021 e a ≈4 μm2 no ventrículo canino.22 No último caso, essa área foi ≈1,5 μm2 para aproximadamente metade das placas e ≈6,6 μm2 para a outra metade. Da avaliação (eletrônica)microscópica212223 e (imuno)histoquímica,1921242526 parece que as placas de junção de fendas maiores estão localizadas em regiões interplícitas do DI (ou seja, em regiões mais ou menos paralelas ao longo eixo das células) e que as menores estão localizadas em regiões plícitas. Hoyt et al22 estimaram 80% da área total de junção de fendas por célula a serem localizadas em regiões interplícitas, onde as junções de fendas podem servir tanto a condução longitudinal quanto transversal.

Miócitos ventriculares são conectados por IDs a ≈10 células vizinhas.2226 A velocidade de condução é determinada pela área da placa de junção de fendas em cada um desses IDs. A área total da placa de junção de fendas por identificação é de 47 a 94 μm2 em ratos,27 42 ou 13,6 μm2 em cães,2223 e ≈10 μm2 em humanos.26

No átrio, as placas de junção de fendas contêm tanto Cx43 como Cx40.913 Na maioria das vezes, Cx43 e Cx40 estão localizadas nas mesmas placas sem localização preferencial de connexin nas bordas laterais das células ou placas de identificação.9 Não há dados disponíveis para calcular a área de junção da placa por identificação no átrio.

No miocárdio ventricular, a expressão de Cx40 é limitada ao sistema de condução.8 Na maioria das espécies de mamíferos, nenhum Cx43 está presente na parte proximal (Seu feixe, ramos do feixe), enquanto nas regiões mais distais dos ramos do feixe e das fibras de Purkinje, Cx40 e Cx43 são coexpressos.28 Nos oócitos Xenopus, Cx43 e Cx40 não podem formar canais de junção de fenda heterotípica funcional,29 e foi sugerido que a distribuição de connexinas no sistema de condução proximal serviria para propagar rapidamente o potencial de ação para as partes distais sem perda de corrente via junções de fenda para os miócitos septal circunvizinhos. Entretanto, em células de mamíferos, a incompatibilidade dos connexões Cx40 e Cx43 parece menos nítida.30 Em corações de camundongos, Cx45 é expressa em todo o nó atrioventricular, seu feixe e ramos do feixe.10 A expressão de Cx40 é limitada ao núcleo do seu feixe e ramos do feixe.10

Distribuição das Junções de Gap no Miocárdio Doente

Em praticamente todas as doenças cardíacas predisponentes a arritmias, alterações na distribuição e no número de junções de gap (remodelação da junção de gap) têm sido relatadas. Na doença isquêmica avançada, foi detectada uma zona estreita que consiste de ≈5 camadas de células que circundam infartos do miocárdio cicatrizados.24 Nesta zona, a distribuição normal das junções de fendas nas identificações de ponta a ponta foi interrompida com um deslocamento de pontos contendo Cx43 para as bordas laterais das células sem alterações no tamanho do ponto. Os ventrículos esquerdos humanos normais, isquêmicos e hipertrofiados apresentaram placas de igual tamanho de coloração anti-Cx43, mas a quantidade total de Cx43 foi reduzida em 40% nos corações doentes.26 O número de identificações por célula não foi diferente nos corações normais e doentes, o que implica que a geometria celular não tinha mudado drasticamente. Por outro lado, em reversão isquêmica e hibernante ventrículo humano, foi observada uma redução do tamanho da placa Cx43 de 23% e 33%, respectivamente, nas regiões afetadas19, sem alterações no miocárdio normal. Nesses experimentos, foi observado um deslocamento das manchas de Cx43 de uma localização de ponta a ponta para uma localização lateral; esse deslocamento também foi relatado na cardiomiopatia hipertrófica.25

Em um modelo de cobaia de insuficiência cardíaca congestiva, uma redução global de Cx43 de 37% foi observada na fase de insuficiência cardíaca congestiva após 6 meses de bandagem aórtica, enquanto na fase de hipertrofia compensada, nenhuma alteração foi observada.31 Recentemente, foi relatada uma diminuição de 35% na área de junção da fenda por ID32 após 4 semanas de hipertrofia ventricular direita causada por hipertensão pulmonar induzida por monocrotalina no rato, concomitantemente com uma diminuição de 30% na velocidade de condução longitudinal (ΘL). Ao mesmo tempo, numerosos pontos Cx43-positivos apareceram ao longo das bordas laterais das células. A velocidade de condução no sentido transversal (ΘT) e o conteúdo total de Cx43, a julgar pela immunoblotting, não foram afetados. Os autores concluíram que a redistribuição das placas de junção da fenda pode explicar a relação anisotropia reduzida (ΘL/ΘT). Entretanto, o aumento de 55% observado no diâmetro das células também pode ter um papel importante. 33 demonstraram uma estreita correlação entre a inducibilidade das arritmias reentrantes em figura de 8 no tecido epicárdico, que bordejam os infartos de quatro dias nos ventrículos caninos, e o rompimento da distribuição da junção da fenda. Especialmente células viáveis próximas e às vezes interdigitantes com células necróticas da região infartada mostraram extensa marcação Cx43 das bordas laterais das células.

Parece que a lateralização das junções das fendas é uma característica proeminente do miocárdio doente. Não está completamente claro, entretanto, até que ponto essa lateralização pode contribuir para alterar as propriedades de condução, pois foi recentemente demonstrado34 que, em células ventriculares de ratos que confinam com infartos cicatrizados, muitas das placas de junção das fendas laterais estão localizadas em invaginações do sarcolemma para o interior da célula, não contribuindo assim para a comunicação célula a célula. Uma observação comparável tem sido feita na hipertrofia do ventrículo direito.32

Embora os dados quantitativos sejam escassos, outro achado comum no miocárdio doente é uma redução de 30% a 40% da área de junção da fenda por identificação. Nos ventrículos (pós)isquêmicos, essa redução é limitada a algumas camadas celulares ao redor da área afetada, enquanto que nos ventrículos hipertróficos, a redução é mais difundida. A partir desta observação isoladamente ou em conjunto com um aumento da densidade de placas de junção de fenda lateral, seria possível prever uma redução da razão anisotropia. Em um estudo,23 foi sugerido que uma razão de anisotropia aumentada ocorresse em zonas fronteiriças de infarto. Este aumento foi em parte devido a uma redução na densidade de junção de fendas laterais (interplicadas) e em parte a uma diminuição no número de células com ligações lado a lado com células vizinhas.

Alterações na densidade de junção de fendas e distribuição no tecido atrial doente estão menos bem documentadas. Nos átrios de cães de passo rápido, foi relatado um aumento nas manchas Cx43-positivas,35 especialmente nas bordas laterais das células. No átrio de cabras, não foram encontradas alterações aparentes na densidade e distribuição de Cx43 após 16 semanas de fibrilação atrial sustentada (FA)3637, embora tenha ocorrido alguma desfosforilação. A proteína Cx40 estava ausente em manchas de 0,15 a 0,6 mm de tecido atrial após 16 semanas de FA, sem redução do mRNA Cx40. A redução desigual da proteína Cx40 ficou evidente após 2 semanas de FA, aproximadamente na mesma época em que a FA se manteve. Se esta redução na Cx40 está causalmente relacionada à persistência da FA ainda está por ser determinada.

Dados sobre o envolvimento da remodelação da junção de fendas nas arritmias originadas no sistema de condução ou no tecido nodal estão apenas começando a ser relatados.383940

Faixas de junção e velocidade de condução

Gj eficaz

Realizamos algumas simulações simples em computador para testar os efeitos das mudanças na densidade e distribuição das junções de fendas na velocidade de condução do potencial de ação. Primeiro, determinamos a condutância juncional efetiva da fenda (gj, corrigida pelos efeitos do campo elétrico causados pela resistência ao acesso citoplasmático) usando nosso modelo publicado anteriormente18 e assumindo que a condutância monocanal Cx43 seja 75 pS a 37°C41 e que todos os canais estejam em seu estado de condução (mas ver referência 42 ). A Figura 1A mostra que os efeitos da resistência de acesso citoplasmática já são aparentes para junções de fendas relativamente pequenas e se tornam mais proeminentes com o aumento do tamanho da junção de fendas. Para junções de fendas >0.5 μm2, a condutância efetiva é <50% do valor obtido pela simples soma das condutâncias individuais de todos os canais em uma determinada área (condutância não corrigida), e para as junções de fendas >4 μm2, a condutância efetiva é mesmo <20%. Consequentemente, o gj por unidade de superfície não é constante, mas diminui com o aumento do tamanho da junção da fenda (Figura 1B). A condutividade efetiva é de 0,3 a 0,5 μm2/μm2 para junções de fendas de pequeno a médio porte (0,3 a 1,5 μm2) e <0,2 μm2/μm2 para junções de fendas grandes (>5 μm2). Como discutido acima, a área de superfície de junção de fendas varia geralmente entre 10 e 40 μm2 por ID. Se for utilizada uma condutividade média efetiva de 0,3 μS/μm2, o gj efetivo por ID entre células vizinhas é de 3 a 12 μS.

Velocidade de condução

Next, avaliamos a importância do gj para a velocidade de condução. Estimulamos a célula mais à esquerda em um fio linear de 50 células a uma freqüência de 1 Hz e calculamos a velocidade de condução através do terço médio do fio. As células foram dispostas de ponta a ponta ou lado a lado, e as células vizinhas foram conectadas através de um gj constante (efetivo) (Figura 2A). Utilizamos o modelo de célula ventricular humana de Priebe e Beuckelmann43 em uma representação numérica da equação do cabo semelhante à explorada por Shaw e Rudy,44 com um valor de 150 Ω cm para resistividade citoplasmática.45

Para obter valores de ΘL de ≈70 cm/s como relatado para os ventrículos humanos,46 é necessária uma condutância de 7,0 μS (Figura 2B). Isto concorda bem com o valor acima de 3 a 12 μS estimado a partir de dados morfométricos. A mesma condutância de 7,0 μS resulta em ΘT de 30 cm/s. Em condições normais, ΘL é bastante insensível a mudanças em gj: diminui apenas 9 cm/s (13%) ao reduzir a condutância pela metade. ΘT é mais sensível a alterações em gj: diminui 36% ao reduzir a condutância para metade. A insensibilidade relativa do ΘL às mudanças em gj pode ser explicada em termos de resistividade juncional da fenda, que calculamos a partir das dimensões do gj e da célula (Figura 2C). Para a condução longitudinal (linha sólida com círculos preenchidos na Figura 2C), a resistividade juncional da fenda fica abaixo da resistividade citoplasmática de 150 Ω cm (linha pontilhada horizontal) em valores de gj tão pequenos quanto 2,5 μS, enquanto que para a condução transversal, a resistividade juncional da fenda é muito maior que a resistividade citoplasmática em todos os valores de gj (linha tracejada com quadrados abertos). Assim, concluímos que a velocidade de condução, particularmente ΘL, é apenas moderadamente sensível a mudanças no gj efetivo. Além disso, as dimensões celulares (relação entre o comprimento celular e a largura celular) podem desempenhar um papel importante na determinação da (anisotropia da) velocidade de condução. 47 que o tamanho da célula pode ser mais importante do que a distribuição da junção da fenda.

Implicações funcionais

Os resultados da simulação constituem importantes ressalvas para a interpretação de dados quantitativos de estudos (imuno)histoquímicos ou (eletro)microscópicos. Uma redução no conteúdo total da junção da fenda em até 40% sem alterações no tamanho das placas de junção da fenda, como observado em corações humanos doentes,26 pode por si só ter apenas efeitos moderados na velocidade de condução. Se o gj normal entre células for 5 μS, uma redução de 40% para 3 μS resulta numa diminuição de 11% em ΘL de 65 para 58 cm/s e uma diminuição de 27% em ΘT de 24 para 18 cm/s (Figura 2B). A razão de anisotropia associada aumenta em 22% de 2,7 para 3,3. Em outros casos, o conteúdo global da junção de fendas permaneceu inalterado, mas ocorreu um deslocamento para bordas laterais das células.2532 Um deslocamento de 40% reduziria o ΘL em 11% e aumentaria ΘT em 25%, resultando em uma diminuição de 29% na razão de anisotropia. Se as novas junções das fendas laterais estiverem localizadas intracelulares3234 , ΘT pode não se alterar em nada.

Observações Finais

Em muitos estudos envolvendo a remodelação das junções das fendas do tecido ventricular doente, os autores concluíram que a diminuição da velocidade de condução pode aumentar a propensão às arritmias reentrantes. Entretanto, a presente análise dos dados limitados disponíveis indica que a redução na velocidade de condução ou as alterações na razão de anisotropia podem, na verdade, ser moderadas. Certamente, as alterações observadas não trariam o substrato no domínio da condução lenta, conforme abordado em vários estudos experimentais recentes484950 e teóricos4451. Nossa análise indica que a resistividade citoplasmática e a geometria celular são muito mais importantes do que o comumente realizado, conclusão também defendida por Spach e colegas.15475253

Não incorporamos mudanças induzidas por doenças nas propriedades iônicas da membrana e do canal de junção da fenda em nossa análise. Sem dúvida, tais alterações fisiopatológicas complicam ainda mais a compreensão da arritmogênese na isquemia aguda, infarto crônico do miocárdio, hipertrofia e insuficiência cardíaca.