Введение
Сердечная мышца (также называемая сердечной мышцей или миокардом) — один из трех типов мышечных тканей позвоночных, два других — скелетная и гладкая мышца. Это непроизвольная, поперечнополосатая мышца, составляющая основную ткань стенки сердца. Сердечная мышца (миокард) формирует толстый средний слой между наружным слоем стенки сердца (перикардом) и внутренним слоем (эндокардом), кровоснабжение которой осуществляется через коронарное кровообращение. Она состоит из отдельных кардиомиоцитов, соединенных интеркаляционными дисками, и окружена коллагеновыми волокнами и другими веществами, формирующими внеклеточный матрикс. Сердечная мышца сокращается аналогично скелетной, но с некоторыми важными отличиями. Электрическая стимуляция в виде потенциала действия сердца запускает высвобождение кальция из внутреннего кальциевого депо клетки – саркоплазматического ретикулума. Повышение концентрации кальция вызывает скольжение миофиламентов клетки относительно друг друга в процессе, называемом возбуждением-сокращением. Заболевания сердечной мышцы, известные как кардиомиопатии, имеют большое клиническое значение. К ним относятся ишемические состояния, вызванные недостаточным кровоснабжением, такие как стенокардия и инфаркт миокарда.
Cardiac muscle (also called heart muscle or myocardium) is one of three types of vertebrate muscle tissues, with the other two being skeletal muscle and smooth muscle. It is an involuntary, striated muscle that constitutes the main tissue of the wall of the heart. The cardiac muscle (myocardium) forms a thick middle layer between the outer layer of the heart wall (the pericardium) and the inner layer (the endocardium), with blood supplied via the coronary circulation. It is composed of individual cardiac muscle cells joined by intercalated discs, and encased by collagen fibers and other substances that form the extracellular matrix. Cardiac muscle contracts in a similar manner to skeletal muscle, although with some important differences. Electrical stimulation in the form of a cardiac action potential triggers the release of calcium from the cell's internal calcium store, the sarcoplasmic reticulum. The rise in calcium causes the cell's myofilaments to slide past each other in a process called excitation contraction coupling. Diseases of the heart muscle known as cardiomyopathies are of major importance. These include ischemic conditions caused by a restricted blood supply to the muscle such as angina, and myocardial infarction.
Межрегулярные диски
Сердечный синцитий представляет собой сеть кардиомиоцитов, соединенных интеркалярными дисками, обеспечивающими быстрое распространение электрических импульсов по сети и позволяющими синцитию осуществлять согласованные сокращения миокарда. Существуют предсердный и желудочковый синцитии, соединенные сердечными проводящими волокнами. Электрическое сопротивление через интеркалярные диски очень низкое, что обеспечивает свободную диффузию ионов. Легкость перемещения ионов вдоль оси волокон сердечной мышцы такова, что потенциалы действия могут распространяться от одной кардиомиоцита к другой, встречая лишь незначительное сопротивление. Каждый синцитий подчиняется закону «всё или ничего». Интеркалярные диски – это сложные адгезивные структуры, соединяющие отдельные кардиомиоциты в электрохимический синцитий (в отличие от скелетной мышцы, которая становится многоклеточным синцитием в процессе эмбрионального развития). Диски в основном отвечают за передачу силы во время мышечного сокращения. Интеркалярные диски состоят из трех типов межклеточных соединений: адгезионных соединений, прикрепляющих актиновые филаменты, десмосом, прикрепляющих промежуточные филаменты, и щелевых соединений. Они обеспечивают распространение потенциалов действия между кардиомиоцитами, пропуская ионы между клетками и вызывая деполяризацию сердечной мышцы. Все три типа соединений действуют совместно как единая комплексная структура. При световой микроскопии интеркалярные диски выглядят как тонкие, обычно темные линии, разделяющие соседние кардиомиоциты. Интеркалярные диски ориентированы перпендикулярно направлению мышечных волокон. При электронной микроскопии траектория интеркалярного диска выглядит более сложной. При малом увеличении она может представлять собой извилистую электронно-плотную структуру, расположенную над местом, где скрыта Z-линия. При большом увеличении траектория интеркалярного диска выглядит еще более извилистой, с продольными и поперечными областями, видимыми в продольном сечении.
Фибробласты
Сердечные фибробласты — важные поддерживающие клетки в составе сердечной мышцы. Они не способны к мощным сокращениям, как кардиомиоциты, но в основном отвечают за создание и поддержание внеклеточного матрикса, окружающего кардиомиоциты. Фибробласты меньше, но многочисленнее кардиомиоцитов, и несколько фибробластов могут одновременно прикрепляться к одному кардиомиоциту. Прикрепляясь к кардиомиоциту, они могут влиять на электрические токи, проходящие по его поверхностной мембране, и в этом контексте считаются электрически соединенными, что было впервые показано in vitro в 1960-х годах и впоследствии подтверждено в нативной сердечной ткани с использованием оптогенетических технологий. К другим потенциальным функциям фибробластов относится электрическая изоляция системы проведения сердца и способность трансформироваться в другие типы клеток, включая кардиомиоциты и адипоциты.
Разработка
Люди рождаются с определенным количеством клеток сердечной мышцы, или кардиомиоцитов, которые увеличиваются в размере по мере роста сердца в период развития. Имеются данные, свидетельствующие о том, что кардиомиоциты медленно обновляются в процессе старения, но менее 50% кардиомиоцитов, присутствующих при рождении, заменяются в течение нормальной продолжительности жизни. Рост отдельных кардиомиоцитов происходит не только в ходе нормального развития сердца, но и в ответ на интенсивные физические нагрузки (синдром спортивного сердца), заболевания сердца или повреждения сердечной мышцы, например, после инфаркта миокарда. Здоровый кардиомиоцит взрослого человека имеет цилиндрическую форму длиной около 100 мкм и диаметром 10–25 мкм. Гипертрофия кардиомиоцитов происходит посредством саркомерогенеза – создания новых саркомерных единиц в клетке. При увеличении объема сердца кардиомиоциты растут за счет эксцентрической гипертрофии. Кардиомиоциты удлиняются, но сохраняют прежний диаметр, что приводит к расширению желудочков. При увеличении нагрузки на сердце кардиомиоциты растут за счет концентрической гипертрофии. Однако механизм повышения концентрации кальция в цитозоле отличается у скелетной и сердечной мышц. В сердечной мышце потенциал действия включает приток как ионов натрия, так и ионов кальция. Приток ионов натрия быстрый, но кратковременный, в то время как приток кальция устойчивый и обуславливает характерную для потенциалов действия сердечной мышцы плато-фазу. Относительно небольшой приток кальция через кальциевые каналы L-типа запускает гораздо большее высвобождение кальция из саркоплазматического ретикулума в процессе, известном как кальций-индуцированное высвобождение кальция. В отличие от этого, в скелетных мышцах минимальное количество кальция поступает в клетку во время потенциала действия, а саркоплазматический ретикулум в этих клетках напрямую связан с поверхностной мембраной. Это различие можно продемонстрировать тем, что для сокращения сердечных мышечных волокон необходимо присутствие кальция в растворе, окружающем клетку, в то время как скелетные мышечные волокна сокращаются и без внеклеточного кальция. Во время сокращения клетки сердечной мышцы длинные белковые миофиламенты, ориентированные вдоль длины клетки, скользят друг относительно друга в соответствии с теорией скользящих нитей. Существуют два типа миофиламентов: толстые, состоящие из белка миозина, и тонкие, состоящие из белков актина, тропонина и тропомиозина. По мере скольжения толстых и тонких нитей друг относительно друга клетка укорачивается и утолщается. В механизме, известном как цикл образования поперечных мостиков, ионы кальция связываются с белком тропонином, который вместе с тропомиозином открывает ключевые участки связывания на актине. Миозин в толстой нити может связываться с актином, перемещая толстые нити вдоль тонких нитей. Когда концентрация кальция в клетке снижается, тропонин и тропомиозин снова закрывают участки связывания на актине, вызывая расслабление клетки.
Восстановление
Было общепринято считать, что клетки миокарда не способны к регенерации. Однако это утверждение было опровергнуто в отчете, опубликованном в 2009 году. Олаф Бергман и его коллеги из Каролинского института в Стокгольме исследовали образцы сердечной мышцы людей, родившихся до 1955 года, у которых наблюдалось крайне мало миокарда вокруг сердца, и многие из них страдали от нарушений, вызванных этой аномалией. Используя образцы ДНК из множества сердец, исследователи оценили, что у четырехлетнего ребенка ежегодно обновляется около 20% клеток миокарда, а примерно 69% клеток миокарда у пятидесятилетнего человека образовались после его рождения. В 2000-х годах было сообщено об открытии взрослых эндогенных кардиальных стволовых клеток, и были опубликованы исследования, утверждающие, что различные линии стволовых клеток, включая стволовые клетки костного мозга, способны дифференцироваться в кардиомиоциты и могут быть использованы для лечения сердечной недостаточности. Однако другие исследовательские группы не смогли воспроизвести эти результаты, и многие из первоначальных работ впоследствии были отозваны из-за научного фальсификата.
Различия между предсердиями и желудочками
Сердечная мышца формирует как предсердия, так и желудочки сердца. Хотя эта мышечная ткань очень похожа в разных камерах сердца, некоторые различия всё же существуют. Миокард желудочков толще, что обеспечивает мощные сокращения, в то время как миокард предсердий значительно тоньше. Отличаются и отдельные миоциты, составляющие миокард. Желудочковые кардиомиоциты длиннее и шире, с более развитой сетью Т-тубулей. Несмотря на схожие фундаментальные механизмы регуляции кальция в желудочковых и предсердных кардиомиоцитах, кальциевый транзиент в предсердных миоцитах меньше и затухает быстрее, что сопровождается увеличением способности к буферизации кальция. Набор ионных каналов различается между камерами, что приводит к большей продолжительности потенциала действия и эффективным рефрактерным периодам в желудочках. Определенные ионные токи, такие как IK(UR), высокоспецифичны для предсердных кардиомиоцитов, что делает их потенциальной мишенью для терапии мерцательной аритмии.
Клиническое значение
Болезни, поражающие сердечную мышцу, известные как кардиомиопатии, являются ведущей причиной смерти в развитых странах. Наиболее распространенным заболеванием является ишемическая болезнь сердца, при которой уменьшается кровоснабжение сердца. Коронарные артерии сужаются вследствие образования атеросклеротических бляшек. Если эти сужения становятся достаточно выраженными, чтобы частично ограничить кровоток, может развиться синдром стенокардии. Если закупорка не будет быстро устранена медикаментозно, с помощью чрескожного коронарного вмешательства или хирургического лечения, то область сердечной мышцы может необратимо повреждаться. Определенные кардиомиопатии могут приводить к аномальному утолщению сердечной мышцы (гипертрофическая кардиомиопатия), ее аномальному увеличению (дилатационная кардиомиопатия) или аномальной жесткости (рестриктивная кардиомиопатия). Некоторые из этих состояний обусловлены генетическими мутациями и могут передаваться по наследству. Сердечная мышца также может быть повреждена при нормальном кровоснабжении. Воспаление сердечной мышцы, называемое миокардитом, чаще всего вызывается вирусной инфекцией, но иногда – собственной иммунной системой организма. Повреждение сердечной мышцы может быть вызвано также приемом лекарственных препаратов, таких как алкоголь, длительной артериальной гипертензией или стойкой аритмией. Многие из этих состояний, при достаточной степени тяжести, могут настолько повредить сердце, что снижается его насосная функция. Если сердце больше не способно перекачивать достаточно крови для удовлетворения потребностей организма, это состояние называется сердечной недостаточностью.