Joncțiunile gap în bolile cardiovasculare

Joncțiunile gap, structuri specializate ale membranelor constând în rețele de canale intercelulare, conectează celulele adiacente în multe țesuturi și organe, asigurând astfel comunicarea chimică și electrică. În inimă, joncțiunile gap asigură căile pentru fluxul de curent intercelular, permițând propagarea coordonată a potențialului de acțiune. Recent, au fost publicate numeroase rapoarte care sugerează că modificările în distribuția, densitatea și proprietățile joncțiunilor gap pot fi implicate în inițierea și persistența diferitelor aritmii cardiace. În prezenta recenzie, rezumăm datele prezentate în aceste rapoarte și discutăm implicațiile funcționale.

Structura și proprietățile canalelor de joncțiune gap

În ultimul deceniu, structura și proprietățile canalelor de joncțiune gap au fost documentate pe larg, așa cum s-a discutat în mai multe recenzii recente.1234

Canalele de joncțiune gap la mamifere sunt construite din conexine codificate de o familie de gene strâns înrudite. Toate conexinele constau din 4 segmente α-helicoidale extrem de conservate care traversează membrana, separate de 2 bucle extracelulare și 1 bucla intracelulară. Terminalele amino și carboxi sunt situate intracelular. Au fost identificați cincisprezece membri ai familiei de conexine la mamifere. Aceștia diferă în principal în ceea ce privește secvența buclelor intracelulare și a terminalelor carboxi. Între cardiomiocite, 3 conexine au fost detectate la nivel proteic: connexin40 (Cx40), connexin43 (Cx43) și connexin45 (Cx45) (denumite după masa lor moleculară putativă în kilodaltoni).

Un canal de joncțiune lacunară este format prin andocarea cap la cap a 2 hemicanale (conexoni), fiecare compus din 6 molecule de conexină dispuse hexagonal în jurul unui por apos. Deoarece andocarea este mediată de bucle extracelulare relativ conservate, mulți conexoni compuși dintr-un tip de conexină se pot combina cu conexoni compuși din alte conexine pentru a forma canale de joncțiune lacunară heterotipice. Un conexon poate fi, de asemenea, compus din diferite conexine5 (conexon heteromeric). În inimă, diferite conexine colocalizează în plăcile de joncțiune gap, dar nu se știe dacă există canale de joncțiune gap heterotipice și/sau heteromere în sistemul cardiovascular.

Canalele de joncțiune gap sunt permeabile la substanțe cu o greutate moleculară de <≈1 kDa. Permeabilitatea depinde de tipul de conexină și de sarcina moleculei permeabile. Canalele de joncțiune Gap se comportă ca niște canale ionice cu porți. În cardiomiocite, conductanțele unui singur canal variază de la ≈20 pS pentru canalele Cx45 homotipice la 75 pS pentru canalele Cx43 și la ≈200 pS pentru canalele Cx40. Conductanța joncțiunii gap este modulată de tensiunea transjuncțională, de i6 și i, de starea de fosforilare a conexinelor și de compoziția acizilor grași extracelulari.

Expresia conexinelor este, de asemenea, modulată. Hormonii pot regla în sus sau în jos conținutul de conexine. În celulele cardiace neonatale de șobolan in vitro, AMPc poate regla dramatic expresia Cx43 cu o creștere concomitentă a vitezei de conducere a potențialului de acțiune. Rotația conexinelor este remarcabil de rapidă. În inima adultă de șobolan, de exemplu, timpul de înjumătățire este de 1,3 ore.7

Distribuția conexinelor în miocardul normal

În miocard, conexinele sunt exprimate la nivel regional: Cx43 se găsește în toată inima, cu posibila excepție a țesuturilor nodale și a unor părți ale sistemului de conducere.4 La speciile de mamifere, Cx40 este exprimată în țesutul atrial (cu excepția inimii de șobolan) și în sistemul de conducere proximal (cu excepția inimii de cobai).89 Expresia Cx45 pare a fi limitată la țesuturile nodale și la sistemul de conducere,1011 dar unele rapoarte1213 susțin o distribuție mult mai largă, probabil din cauza utilizării unui anticorp anti-Cx45 care nu este complet specific.14 Până în prezent, nu au fost detectate alte conexine între cardiomiocite.

În ventriculii adulți, joncțiunile gap conțin exclusiv Cx438 și sunt localizate predominant în regiunea discului intercalat (ID) dintre celule. Proprietățile conductive anizotrope ale miocardului ventricular depind de geometria celulelor interconectate și de numărul, dimensiunea și localizarea plăcilor de joncțiune lacunară dintre acestea.15 Numeroase studii (imuno)-histochimice și (electronice) microscopice au abordat aceste aspecte. Plăcile de joncțiune lacunară constau în rețele de particule de 9 până la 10 nm mai mult sau mai puțin strânse, reprezentând canale individuale. În condiții normale, plăcile de joncțiune gap de șobolan par să conțină ≈15% spațiu liber de particule16 , în timp ce particulele plăcilor de joncțiune gap de iepure sunt contigue.17 În ceea ce privește conductanța joncțională, există o diferență mică, deoarece numărul mai mic de canale pe micrometru pătrat este compensat în mare măsură de scăderea rezistenței de acces18 (a se vedea mai jos). Suprafața medie a plăcilor de joncțiune gap variază de la 0,21 μm2 în ventriculul uman19 la ≈0,45 μm2 în ventriculul de șobolan2021 și la ≈4 μm2 în ventriculul canin.22 În acest din urmă caz, această suprafață a fost de ≈1,5 μm2 pentru aproximativ jumătate din plăci și de ≈6,6 μm2 pentru cealaltă jumătate. Din evaluarea (electronică)microscopică212223 și (imuno)histochimică,1921242526 reiese că plăcile de joncțiune lacunară mai mari sunt localizate în regiunile interplicate ale ID (adică în regiunile care se desfășoară mai mult sau mai puțin paralel cu axa lungă a celulelor) și că cele mai mici sunt localizate în regiunile plicate. Hoyt et al22 au estimat că 80% din suprafața totală a joncțiunii lacunare per celulă este localizată în regiunile interplicate, unde joncțiunile lacunare pot servi atât conducerii longitudinale, cât și celei transversale.

Miocitele ventriculare sunt conectate prin ID-uri la ≈10 celule vecine.2226 Viteza de conducere este determinată de suprafața plăcilor de joncțiune lacunară în fiecare dintre aceste ID-uri. Suprafața totală a plăcilor de joncțiune lacunară per ID este de 47 până la 94 μm2 la șobolani,27 42 sau 13,6 μm2 la câini,2223 și ≈10 μm2 la oameni.26

În atriu, plăcile de joncțiune lacunară conțin atât Cx43, cât și Cx40.913 Cel mai adesea, Cx43 și Cx40 sunt localizate în aceleași plăci, fără localizarea preferențială a vreunei conexine în marginile laterale ale celulelor sau în plăcile ID.9 Nu sunt disponibile date pentru a calcula suprafața plăcilor de joncțiune gap per ID în atriu.

În miocardul ventricular, expresia Cx40 este limitată la sistemul de conducere.8 La majoritatea speciilor de mamifere, Cx43 nu este prezentă în partea proximală (fasciculul His, ramurile fasciculului), în timp ce în regiunile mai distale ale ramurilor fasciculului și ale fibrelor Purkinje, Cx40 și Cx43 sunt coexprimate.28 În ovocitele Xenopus, Cx43 și Cx40 nu pot forma canale de joncțiune gap heterotipice funcționale29 și s-a sugerat că distribuția conexinelor în sistemul de conducere proximal ar servi la propagarea rapidă a potențialului de acțiune către părțile distale fără pierderi de curent prin intermediul joncțiunilor gap către miocitele septale din jur. Cu toate acestea, în celulele mamiferelor, incompatibilitatea conexonilor Cx40 și Cx43 pare mai puțin clară.30 În inimile de șoarece, Cx45 este exprimată în tot nodul atrioventricular, în fasciculul His și în ramurile fasciculului.10 Expresia Cx40 este limitată la nucleul fasciculului His și la ramurile fasciculului.10

Distribuția joncțiunilor gap în miocardul bolnav

În aproape toate bolile cardiace care predispun la aritmii, au fost raportate modificări în distribuția și numărul de joncțiuni gap (remodelarea joncțiunilor gap). În boala ischemică avansată, a fost detectată o zonă îngustă formată din ≈5 straturi de celule care mărginesc infarctele miocardice vindecate.24 În această zonă, distribuția normală a joncțiunilor gap în ID-uri amplasate de la un capăt la altul a fost perturbată cu o deplasare a spoturilor care conțin Cx43 către marginile laterale ale celulelor, fără modificări ale dimensiunii spoturilor. Ventriculii stângi umani normali, ischemici și hipertrofiați au prezentat plăci de dimensiuni egale de colorare anti-Cx43, dar cantitatea totală de Cx43 a fost redusă cu 40% în inimile bolnave.26 Numărul de ID-uri pe celulă nu a fost diferit în inimile normale și bolnave, ceea ce implică faptul că geometria celulară nu s-a schimbat dramatic. Pe de altă parte, în ventriculul uman ischemic reversibil și în hibernare, s-a observat o reducere a dimensiunii plăcii de Cx43 de 23% și, respectiv, 33% în regiunile afectate,19 fără modificări în miocardul normal. În aceste experimente, s-a observat o deplasare a petelor de Cx43 de la o localizare de la un capăt la altul la o localizare laterală; această deplasare a fost, de asemenea, raportată în cardiomiopatia hipertrofică.25

Într-un model de cobai de insuficiență cardiacă congestivă, s-a observat o reducere globală a Cx43 de 37% în stadiul de insuficiență cardiacă congestivă după 6 luni de bandaj aortic, în timp ce în stadiul de hipertrofie compensată, nu s-a observat nicio modificare.31 Recent, a fost raportată o scădere de 35% a zonei de joncțiune gap per ID32 după 4 săptămâni de hipertrofie ventriculară dreaptă cauzată de hipertensiunea pulmonară indusă de monocrotalină la șobolan, concomitent cu o scădere de 30% a vitezei de conducere longitudinală (ΘL). În același timp, au apărut numeroase pete Cx43-pozitive de-a lungul marginilor laterale ale celulelor. Viteza de conducere în direcția transversală (ΘT) și conținutul total de Cx43, așa cum a fost judecat prin imunoblotting, nu au fost afectate. Autorii au concluzionat că redistribuirea plăcilor de joncțiune gap poate explica raportul redus de anizotropie (ΘL/ΘT). Cu toate acestea, creșterea observată de 55% a diametrului celular poate juca, de asemenea, un rol. Peters et al33 au demonstrat o corelație strânsă între capacitatea de inducere a aritmiilor reentrante în figura 8 în țesutul epicardic care mărginește infarctele de 4 zile în ventriculii canini și întreruperea distribuției joncțiunii gap. În special celulele viabile aflate în apropierea și, uneori, în interdigitație cu celulele necrotice din regiunea infarcată, au prezentat o marcare extinsă a Cx43 a frontierelor laterale ale celulelor.

Se pare că lateralizarea joncțiunilor gap este o caracteristică proeminentă a miocardului bolnav. Cu toate acestea, nu este complet clar în ce măsură această lateralizare poate contribui la alterarea proprietăților de conducere, deoarece s-a demonstrat recent34 că în celulele ventriculare de șobolan care mărginesc infarctele vindecate, multe dintre plăcile laterale de joncțiune gap sunt localizate în invaginații ale sarcolemei în interiorul celulei, necontribuind astfel la comunicarea celulă-celulă. O observație comparabilă a fost făcută în hipertrofia ventriculară dreaptă.32

Deși datele cantitative sunt puține, o altă constatare comună în miocardul bolnav este o reducere cu 30% până la 40% a zonei de joncțiune lacunară per ID. În ventriculii (post)ischemici, această reducere este limitată la câteva straturi de celule din jurul zonei afectate, în timp ce în ventriculii hipertrofici, reducerea este mai extinsă. Din această observație, singură sau împreună cu o densitate crescută a plăcilor de joncțiune lacunară laterale, s-ar putea prezice un raport de anizotropie redus. Într-un studiu23 , s-a sugerat că un raport de anizotropie crescut apare în zonele de frontieră ale infarctului. Această creștere s-a datorat parțial unei reduceri a densității joncțiunilor gap laterale (interplicate) și parțial unei scăderi a numărului de celule care au conexiuni laterale cu celulele vecine.

Modificările în densitatea și distribuția joncțiunilor gap în țesutul atrial bolnav sunt mai puțin bine documentate. În atriile de câine ritmate rapid, a fost raportată o creștere a punctelor Cx43-pozitive,35 în special la marginile laterale ale celulelor. În atriul de capră, nu s-au constatat modificări aparente ale densității și distribuției Cx43 după 16 săptămâni de fibrilație atrială (FA) susținută3637 , deși a avut loc o anumită defosforilare. Proteina Cx40 a fost absentă în porțiuni de 0,15 până la 0,6 mm de țesut atrial după 16 săptămâni de FA, fără o reducere a ARNm Cx40. Reducerea pe alocuri a proteinei Cx40 a fost evidentă după 2 săptămâni de FA, cam în același timp în care FA a devenit susținută. Rămâne de stabilit dacă această reducere a Cx40 este legată cauzal de persistența FA.

Datele privind implicarea remodelării joncțiunii gap în aritmiile care își au originea în sistemul de conducere sau în țesutul nodal abia încep să fie raportate.383940

Gap Junctions and Conduction Velocity

Effective gj

Am efectuat câteva simulări computerizate simple pentru a testa efectele modificărilor în densitatea și distribuția gap junctions asupra vitezei de conducere a potențialului de acțiune. În primul rând, am determinat conductanța efectivă a joncțiunii gap (gj, corectată pentru efectele câmpului electric cauzate de rezistența de acces citoplasmatic) prin utilizarea modelului nostru publicat anterior18 și presupunând că conductanța monocanalului Cx43 este de 75 pS la 37°C41 și că toate canalele sunt în stare de conducție (dar a se vedea referința 42 ). Figura 1A arată că efectele rezistenței de acces citoplasmatic sunt deja evidente în cazul joncțiunilor lacunare relativ mici și devin mai importante odată cu creșterea dimensiunii joncțiunii lacunare. Pentru joncțiunile gap >0.5 μm2, conductanța efectivă este <50% din valoarea obținută prin simpla însumare a conductanțelor individuale ale tuturor canalelor dintr-o anumită zonă (conductanță necorectată), iar pentru joncțiunile gap >4 μm2, conductanța efectivă este chiar <20%. În consecință, gj pe unitatea de suprafață nu este constantă, ci scade odată cu creșterea dimensiunii joncțiunii gap (figura 1B). Conductanța efectivă este de 0,3 până la 0,5 μS/μm2 pentru joncțiunile lacunare de dimensiuni mici și moderate (0,3 până la 1,5 μm2) și <0,2 μS/μm2 pentru joncțiunile lacunare mari (>5 μm2). După cum s-a discutat mai sus, suprafața joncțiunii gap variază în mod obișnuit între 10 și 40 μm2 per ID. Dacă se utilizează o conductanță efectivă medie de 0,3 μS/μm2, gj efectivă pe ID între celulele vecine este de 3 până la 12 μS.

Viteza de conducție

În continuare, am evaluat importanța gj pentru viteza de conducție. Am stimulat cea mai din stânga celulă dintr-un șir liniar de 50 de celule la o frecvență de 1 Hz și am calculat viteza de conducție în treimea de mijloc a șirului. Celulele au fost dispuse fie cap la cap, fie una lângă alta, iar celulele vecine au fost conectate prin intermediul unui gj constant (efectiv) (Figura 2A). Am utilizat modelul de celulă ventriculară umană al lui Priebe și Beuckelmann43 într-o reprezentare numerică a ecuației cablului similară cu cea explorată de Shaw și Rudy,44 cu o valoare de 150 Ω cm pentru rezistivitatea citoplasmatică.45

Pentru a obține valori ΘL de ≈70 cm/s, așa cum s-a raportat pentru ventriculii umani,46 este necesară o conductanță de 7,0 μS (Figura 2B). Aceasta concordă bine cu valoarea de mai sus de 3 până la 12 μS estimată din datele morfometrice. Aceeași conductanță de 7,0 μS are ca rezultat un ΘT de 30 cm/s. În condiții normale, ΘL este destul de insensibilă la schimbările în gj: aceasta scade cu doar 9 cm/s (13 %) la înjumătățirea conductanței. ΘT este mai sensibilă la schimbările în gj: scade cu 36% la înjumătățirea conductanței. Insensibilitatea relativă a ΘL la modificările în gj poate fi explicată în termeni de rezistivitate a joncțiunii gap, pe care am calculat-o din gj și dimensiunile celulelor (Figura 2C). Pentru conducția longitudinală (linia continuă cu cercuri pline în figura 2C), rezistivitatea joncțiunii gap cade sub rezistivitatea citoplasmatică de 150 Ω cm (linia punctată orizontală) la valori gj de până la 2,5 μS, în timp ce pentru conducția transversală, rezistivitatea joncțiunii gap este mult mai mare decât rezistivitatea citoplasmatică la toate valorile gj (linia punctată cu pătrate deschise). Astfel, concluzionăm că viteza de conducție, în special ΘL, este doar moderat sensibilă la schimbările în gj efectiv. În plus, dimensiunile celulei (raportul dintre lungimea și lățimea celulei) pot juca un rol major în determinarea (anizotropiei) vitezei de conducție. Acest lucru este în concordanță cu concluzia lui Spach et al47 conform căreia dimensiunea celulelor poate fi mai importantă decât distribuția joncțiunii gap.

Implicații funcționale

Rezultatele simulării constituie avertismente importante pentru interpretarea datelor cantitative din studiile (imuno)histochimice sau (electronico)microscopice. O reducere a conținutului total de joncțiune gap cu până la 40% fără modificări ale dimensiunii plăcilor de joncțiune gap, așa cum s-a observat în inimile umane bolnave,26 poate avea în sine doar efecte moderate asupra vitezei de conducere. Dacă gj normală între celule este de 5 μS, o reducere de 40 % la 3 μS are ca rezultat o scădere de 11 % a ΘL de la 65 la 58 cm/s și o scădere de 27 % a ΘT de la 24 la 18 cm/s (figura 2B). Raportul de anizotropie asociat crește cu 22 %, de la 2,7 la 3,3. În alte cazuri, conținutul general al joncțiunii gap a rămas neschimbat, dar a avut loc o deplasare către marginile laterale ale celulelor.2532 O deplasare de 40% ar reduce ΘL cu 11% și ar crește ΘT cu 25%, ceea ce ar duce la o scădere de 29% a raportului de anizotropie. Dacă noile joncțiuni gap laterale sunt localizate intracelular,3234 este posibil ca ΘT să nu se schimbe deloc.

Observații finale

În multe studii care implică remodelarea joncțiunilor gap în țesutul ventricular bolnav, autorii au concluzionat că o scădere a vitezei de conducere poate spori tendința de apariție a aritmiilor reentrante. Cu toate acestea, prezenta analiză a datelor limitate disponibile indică faptul că reducerea vitezei de conducere sau modificările raportului de anizotropie pot fi de fapt moderate. Cu siguranță, modificările observate nu ar aduce substratul pe tărâmul conducerii lente, așa cum este abordat în mai multe studii experimentale484950 și teoretice4451 recente. Analiza noastră indică faptul că rezistivitatea citoplasmatică și geometria celulară sunt mult mai importante decât se realizează în mod obișnuit, o concluzie susținută și de Spach și colegii săi.15475253

Noi nu am încorporat în analiza noastră modificările induse de boală în proprietățile canalelor ionice membranare și ale canalelor de joncțiune gap. Fără îndoială, astfel de schimbări fiziopatologice complică și mai mult înțelegerea aritmogenezei în ischemia acută, infarctul miocardic cronic, hipertrofia și insuficiența cardiacă.

Note de subsol