Сердечная мышца (также называемая сердечной мышцей или миокардом ) — это один из трех типов мышечных тканей позвоночных , два других — скелетные мышцы и гладкие мышцы . Это непроизвольная поперечно- полосатая мышца , составляющая основную ткань стенки сердца . Сердечная мышца (миокард) образует толстый средний слой между наружным слоем сердечной стенки ( перикард ) и внутренним слоем ( эндокард ), при этом кровь поступает через коронарное кровообращение . Он состоит из отдельных клеток сердечной мышцы , соединенных вставочными дисками и окруженных коллагеновыми волокнами и другими веществами, образующими внеклеточный матрикс .
Сердечная мышца сокращается аналогично скелетным мышцам , хотя и с некоторыми важными отличиями. Электрическая стимуляция в форме сердечного потенциала действия вызывает высвобождение кальция из внутреннего хранилища кальция в клетке, саркоплазматического ретикулума . Повышение уровня кальция заставляет миофиламенты клетки скользить друг мимо друга в процессе, называемом сопряжением возбуждения-сокращения . Большое значение имеют заболевания сердечной мышцы, известные как кардиомиопатии . К ним относятся ишемические состояния, вызванные ограничением кровоснабжения мышц, такие как стенокардия и инфаркт миокарда .
Сердечная мышечная ткань или миокард составляет основную часть сердца. Стенка сердца представляет собой трехслойную структуру с толстым слоем миокарда, зажатым между внутренним эндокардом и наружным эпикардом (также известным как висцеральный перикард). Внутренний эндокард выстилает камеры сердца, покрывает сердечные клапаны и соединяется с эндотелием , выстилающим кровеносные сосуды, соединяющиеся с сердцем. На внешней стороне миокарда находится эпикард , который является частью перикардиальной сумки , которая окружает, защищает и смазывает сердце. [1]
Внутри миокарда имеется несколько листов клеток сердечной мышцы или кардиомиоцитов. Полоски мышц, окружающие левый желудочек, ближайший к эндокарду, ориентированы перпендикулярно тем, которые расположены ближе всего к эпикарду. Когда эти листки сокращаются согласованно, они позволяют желудочку сжиматься одновременно в нескольких направлениях – продольном (становясь короче от вершины к основанию), радиальном (становясь уже из стороны в сторону) и скручивающим движением (аналогично выкручиванию желудочка). влажная ткань), чтобы с каждым ударом сердца выдавливать из сердца максимально возможное количество крови. [2]
Сокращение сердечной мышцы требует много энергии и, следовательно, требует постоянного притока крови для снабжения кислородом и питательными веществами. Кровь к миокарду доставляется по коронарным артериям . Они берут начало от корня аорты и лежат на внешней или эпикардиальной поверхности сердца. Затем кровь оттекает по коронарным венам в правое предсердие . [1]
Клетки сердечной мышцы, также называемые кардиомиоцитами, представляют собой сократительные миоциты сердечной мышцы. Клетки окружены внеклеточным матриксом , образованным поддерживающими клетками фибробластами . Специализированные модифицированные кардиомиоциты, известные как пейсмекерные клетки , задают ритм сердечных сокращений. Пейсмекерные клетки без саркомеров сокращаются слабо и соединяются с соседними сократительными клетками через щелевые контакты . [3] Они расположены в синоатриальном узле (основной водитель ритма), расположенном на стенке правого предсердия , рядом с входом в верхнюю полую вену . [4] Другие клетки-водители ритма находятся в атриовентрикулярном узле (вторичный водитель ритма).
Клетки-кардиостимуляторы передают импульсы, отвечающие за биение сердца. Они распределены по всему сердцу и отвечают за несколько функций. Во-первых, они отвечают за способность спонтанно генерировать и отправлять электрические импульсы . Они также должны быть способны получать и реагировать на электрические импульсы мозга. Наконец, они должны быть способны передавать электрические импульсы от клетки к клетке. [5] Пейсмекерные клетки в синоатриальном узле и атриовентрикулярном узле меньше по размеру и проводят между клетками относительно медленную скорость. Специализированные проводящие клетки в пучке Гиса и волокнах Пуркинье имеют больший диаметр и проводят сигналы с высокой скоростью. [6]
Волокна Пуркинье быстро проводят электрические сигналы; коронарные артерии доставляют питательные вещества к мышечным клеткам, а вены и капиллярная сеть отводят отходы. [7]
Клетки сердечной мышцы — это сокращающиеся клетки, которые позволяют сердцу работать. Каждый кардиомиоцит должен сокращаться в координации с соседними клетками (так называемыми функциональными синцитиями ), работая над эффективной перекачкой крови от сердца, и если эта координация нарушается, тогда – несмотря на сокращение отдельных клеток – сердце может вообще не качать кровь, например может возникнуть во время аномальных сердечных ритмов , таких как фибрилляция желудочков . [8]
Если смотреть под микроскопом, клетки сердечной мышцы имеют примерно прямоугольную форму размером 100–150 мкм на 30–40 мкм. [9] Отдельные клетки сердечной мышцы соединены на концах вставочными дисками , образуя длинные волокна. Каждая клетка содержит миофибриллы — специализированные белковые сократительные волокна актина и миозина , которые скользят друг мимо друга. Они организованы в саркомеры — основные сократительные единицы мышечных клеток. Регулярная организация миофибрилл в саркомеры придает клеткам сердечной мышцы полосатый или исчерченный вид при взгляде на них под микроскопом, похожий на скелетные мышцы. Эти полосы вызваны более светлыми полосами I , состоящими в основном из актина, и более темными полосами A, состоящими в основном из миозина. [7]
Кардиомиоциты содержат Т-трубочки , мешочки клеточной мембраны , которые проходят от поверхности клетки внутрь клетки, что помогает повысить эффективность сокращения. Большинство этих клеток содержат только одно ядро (некоторые могут иметь два центральных ядра), в отличие от клеток скелетных мышц, которые содержат много ядер . Клетки сердечной мышцы содержат множество митохондрий , которые обеспечивают необходимую клетке энергию в форме аденозинтрифосфата (АТФ), что делает их очень устойчивыми к утомлению. [9] [7]
Т-трубочки представляют собой микроскопические трубочки, идущие от поверхности клетки вглубь клетки. Они непрерывны с клеточной мембраной, состоят из одного и того же фосфолипидного бислоя и открыты на поверхности клетки для внеклеточной жидкости , окружающей клетку. Т-трубочки в сердечной мышце больше и шире, чем в скелетных мышцах , но их меньше. [9] В центре клетки они соединяются, впадая в клетку и вдоль нее образуя поперечно-осевую сеть. Внутри клетки они лежат рядом с внутренним хранилищем кальция — саркоплазматическим ретикулумом . Здесь один каналец соединяется с частью саркоплазматической сети, называемой терминальной цистерной, в комбинации, известной как диада . [10]
Функции Т-трубочек включают быструю передачу электрических импульсов, известных как потенциалы действия, от поверхности клетки к ядру клетки и помощь в регулировании концентрации кальция внутри клетки в процессе, известном как связь возбуждения-сокращения . [9] Они также участвуют в механо-электрической обратной связи, [11] о чем свидетельствует индуцированный сокращением клеток обмен содержимым Т-трубочек (диффузия с помощью адвекции), [12] что было подтверждено наблюдениями конфокальной и трехмерной электронной томографии. [13]
Сердечный синцитий представляет собой сеть кардиомиоцитов, соединенных вставочными дисками , которые обеспечивают быструю передачу электрических импульсов через сеть, позволяя синцитию действовать путем скоординированного сокращения миокарда. Существует предсердный синцитий и желудочковый синцитий , которые соединены сердечными связующими волокнами. [14] Электрическое сопротивление интеркалированных дисков очень низкое, что обеспечивает свободную диффузию ионов. Легкость движения ионов вдоль осей волокон сердечной мышцы такова, что потенциалы действия могут перемещаться от одной клетки сердечной мышцы к другой, встречая лишь небольшое сопротивление. Каждый синцитий подчиняется закону «все или ничего» . [15]
Вставочные диски представляют собой сложные адгезивные структуры, которые соединяют отдельные кардиомиоциты с электрохимическим синцитием (в отличие от скелетных мышц, которые во время эмбрионального развития становятся многоклеточными синцитиями ). Диски отвечают главным образом за передачу силы во время мышечного сокращения. Вставочные диски состоят из трех различных типов межклеточных соединений: соединений актиновых нитей, закрепляющих фасцию , десмосом , закрепляющих промежуточные нити , и щелевых соединений . [16] Они позволяют потенциалам действия распространяться между сердечными клетками, обеспечивая прохождение ионов между клетками, вызывая деполяризацию сердечной мышцы. Три типа соединения действуют вместе как единая сложная область . [16] [17] [18] [19]
Под световой микроскопией вставочные диски выглядят как тонкие, обычно темные линии, разделяющие соседние клетки сердечной мышцы. Вставочные диски располагаются перпендикулярно направлению мышечных волокон. Под электронной микроскопией путь вставочного диска кажется более сложным. При небольшом увеличении это может выглядеть как извилистая электронно-плотная структура, лежащая над местом скрытой Z-линии. При большом увеличении путь вставочного диска кажется еще более извилистым: в продольном сечении появляются как продольные, так и поперечные области. [20]
Сердечные фибробласты являются жизненно важными поддерживающими клетками сердечной мышцы. Они не способны обеспечивать сильные сокращения, как кардиомиоциты , но вместо этого в значительной степени ответственны за создание и поддержание внеклеточного матрикса, окружающего кардиомиоциты. [7] Фибробласты играют решающую роль в реагировании на травмы, такие как инфаркт миокарда . После травмы фибробласты могут активироваться и превратиться в миофибробласты – клетки, поведение которых находится где-то между фибробластами (генерирующими внеклеточный матрикс) и гладкомышечными клетками (способностью сокращаться). В этом качестве фибробласты могут восстанавливать травму, создавая коллаген и одновременно мягко сокращаясь, стягивая края поврежденной области вместе. [21]
Фибробласты меньше, но многочисленнее кардиомиоцитов, и к кардиомиоциту может прикрепляться сразу несколько фибробластов. Прикрепляясь к кардиомиоцитам, они могут влиять на электрические токи, проходящие через поверхностную мембрану мышечной клетки, и в контексте их называют электрически связанными [22] , что первоначально было показано in vitro в 1960-х годах [23] и в конечном итоге подтверждено в нативную сердечную ткань с помощью оптогенетических методов. [24] Другие потенциальные роли фибробластов включают электрическую изоляцию проводящей системы сердца и способность трансформироваться в другие типы клеток, включая кардиомиоциты и адипоциты . [21]
Внеклеточный матрикс (ECM) окружает кардиомиоциты и фибробласты. ЕСМ состоит из белков, включая коллаген и эластин , а также полисахаридов (сахарных цепей), известных как гликозаминогликаны . [7] Вместе эти вещества обеспечивают поддержку и силу мышечным клеткам, создают эластичность сердечной мышцы и поддерживают гидратацию мышечных клеток, связывая молекулы воды.
Матрикс, находящийся в непосредственном контакте с мышечными клетками, называется базальной мембраной и состоит в основном из коллагена IV типа и ламинина . Кардиомиоциты связаны с базальной мембраной посредством специализированных гликопротеинов, называемых интегринами . [25]
Люди рождаются с определенным количеством клеток сердечной мышцы, или кардиомиоцитов, которые увеличиваются в размерах по мере того, как сердце становится больше в детском возрасте. Данные свидетельствуют о том, что кардиомиоциты медленно обновляются во время старения, но менее 50% кардиомиоцитов, присутствующих при рождении, заменяются в течение нормальной жизни. [26] Рост отдельных кардиомиоцитов происходит не только во время нормального развития сердца, но также происходит в ответ на длительные физические нагрузки ( синдром спортивного сердца ), болезни сердца или повреждение сердечной мышцы, например, после инфаркта миокарда. Здоровый взрослый кардиомиоцит имеет цилиндрическую форму длиной примерно 100 мкм и диаметром 10–25 мкм. Гипертрофия кардиомиоцитов происходит посредством саркомерогенеза, создания новых единиц саркомера в клетке. При перегрузке сердца кардиомиоциты растут за счет эксцентрической гипертрофии. [27] Кардиомиоциты вытягиваются в длину, но имеют одинаковый диаметр, что приводит к расширению желудочков. При перегрузке сердечным давлением кардиомиоциты растут за счет концентрической гипертрофии. [27] Кардиомиоциты увеличиваются в диаметре, но имеют одинаковую длину, что приводит к утолщению стенки сердца.
Физиология сердечной мышцы имеет много общего с физиологией скелетных мышц . Основная функция обоих типов мышц — сокращение, и в обоих случаях сокращение начинается с характерного потока ионов через клеточную мембрану, известного как потенциал действия . Потенциал сердечного действия впоследствии вызывает сокращение мышц за счет увеличения концентрации кальция в цитозоле.
Сердечный цикл – это работа человеческого сердца от начала одного сердечного сокращения до начала следующего. Он состоит из двух периодов: один, во время которого сердечная мышца расслабляется и наполняется кровью, называется диастолой , за которым следует период сильного сокращения и перекачивания крови, называемый систолой . После опорожнения сердце немедленно расслабляется и расширяется, чтобы получить новый приток крови, возвращающейся из легких и других систем организма, прежде чем снова сократиться, чтобы перекачивать кровь в легкие и эти системы. Нормально работающее сердце должно быть полностью расширено, прежде чем оно сможет снова эффективно перекачивать кровь.
Фаза покоя считается поляризованной. Потенциал покоя во время этой фазы сокращения разделяет такие ионы, как натрий, калий и кальций. Клетки миокарда обладают свойством автоматизма или спонтанной деполяризации . Это прямой результат работы мембраны, которая позволяет ионам натрия медленно проникать в клетку до тех пор, пока не будет достигнут порог деполяризации. Ионы кальция следуют за ними и еще больше расширяют деполяризацию. Как только кальций перестает двигаться внутрь, ионы калия медленно выходят наружу, вызывая реполяризацию. Очень медленная реполяризация мембраны КМЦ является причиной длительного рефрактерного периода. [28] [29]
Однако механизм повышения концентрации кальция в цитозоле различается в скелетных и сердечных мышцах. В сердечной мышце потенциал действия включает в себя приток ионов натрия и кальция. Поток ионов натрия быстрый, но очень кратковременный, в то время как поток кальция является устойчивым и дает фазу плато, характерную для потенциалов действия сердечной мышцы. Сравнительно небольшой поток кальция через кальциевые каналы L-типа вызывает гораздо большее высвобождение кальция из саркоплазматической сети в феномене, известном как кальций-индуцированное высвобождение кальция . Напротив, в скелетных мышцах во время потенциала действия в клетку поступает минимальное количество кальция, и вместо этого саркоплазматический ретикулум в этих клетках непосредственно связан с поверхностной мембраной. Эту разницу можно проиллюстрировать тем, что для сокращения волокон сердечной мышцы требуется присутствие кальция в растворе, окружающем клетку, тогда как волокна скелетной мышцы сокращаются без внеклеточного кальция.
Во время сокращения клетки сердечной мышцы длинные белковые миофиламенты , ориентированные по длине клетки, скользят друг по другу, что известно как теория скользящих нитей . Существует два типа миофиламентов: толстые нити, состоящие из белка миозина , и тонкие нити, состоящие из белков актина , тропонина и тропомиозина . Когда толстые и тонкие нити скользят друг мимо друга, клетка становится короче и толще. В рамках механизма, известного как циклический перекрестный мостик , ионы кальция связываются с белком тропонином, который вместе с тропомиозином затем открывает ключевые сайты связывания на актине. Миозин в толстых нитях может затем связываться с актином, притягивая толстые нити вдоль тонких нитей. Когда концентрация кальция внутри клетки падает, тропонин и тропомиозин снова покрывают места связывания актина, заставляя клетку расслабляться.
Считалось, что клетки сердечной мышцы не поддаются регенерации. Однако это противоречит отчету, опубликованному в 2009 году. [30] Олаф Бергманн и его коллеги из Каролинского института в Стокгольме протестировали образцы сердечной мышцы людей, родившихся до 1955 года, у которых было очень мало сердечной мышцы вокруг сердца, многие из которых имели инвалидность. от этой аномалии. Используя образцы ДНК из многих сердец, исследователи подсчитали, что у 4-летнего ребенка обновляется около 20% клеток сердечной мышцы в год, а около 69 процентов клеток сердечной мышцы у 50-летнего человека были созданы после того, как он или она родилась. [30]
Одним из способов регенерации кардиомиоцитов является деление ранее существовавших кардиомиоцитов во время нормального процесса старения. [31]
В 2000-х годах сообщалось об открытии взрослых эндогенных сердечных стволовых клеток и были опубликованы исследования, в которых утверждалось, что различные линии стволовых клеток, включая стволовые клетки костного мозга , способны дифференцироваться в кардиомиоциты и могут быть использованы для лечения сердечной недостаточности . [32] [33] Однако другие команды не смогли повторить эти результаты, и многие оригинальные исследования позже были отозваны из-за научного мошенничества. [34] [35]
Сердечная мышца образует как предсердия, так и желудочки сердца. Хотя эта мышечная ткань в разных камерах сердца очень похожа, существуют некоторые различия. Миокард в желудочках толстый, что позволяет осуществлять сильные сокращения, тогда как миокард в предсердиях намного тоньше. Отдельные миоциты, составляющие миокард, также различаются в разных камерах сердца. Желудочковые кардиомиоциты длиннее и шире, с более плотной сетью Т-трубочек . Хотя фундаментальные механизмы обработки кальция в желудочковых и предсердных кардиомиоцитах схожи, переходный период кальция меньше и распадается быстрее в предсердных миоцитах с соответствующим увеличением буферной способности кальция . [36] Состав ионных каналов различается в разных камерах, что приводит к большей продолжительности потенциала действия и эффективным рефрактерным периодам в желудочках. Определенные ионные токи, такие как I K(UR) , высокоспецифичны для предсердных кардиомиоцитов, что делает их потенциальной мишенью для лечения фибрилляции предсердий . [37]
Заболевания, поражающие сердечную мышцу, известные как кардиомиопатии , являются основной причиной смертности в развитых странах . [38] Наиболее распространенным заболеванием является ишемическая болезнь сердца , при которой кровоснабжение сердца снижается . Коронарные артерии сужаются за счет образования атеросклеротических бляшек . [39] Если эти сужения становятся настолько серьезными, что частично ограничивают кровоток, может возникнуть синдром стенокардии . [39] Обычно это вызывает боль в груди во время нагрузки, которая облегчается в покое. Если коронарная артерия внезапно сильно сужается или полностью блокируется, прерывая или резко уменьшая кровоток через сосуд, возникает инфаркт миокарда или сердечный приступ. [40] Если блокаду не устранить своевременно с помощью лекарств , чрескожного коронарного вмешательства или хирургического вмешательства , то область сердечной мышцы может стать необратимо рубцовой и поврежденной. [41] Специфическая кардиомиопатия может привести к тому, что сердечная мышца станет аномально толстой ( гипертрофическая кардиомиопатия ), [42] аномально большой ( дилатационная кардиомиопатия ), [43] или аномально жесткой ( рестриктивная кардиомиопатия ). [44] Некоторые из этих состояний вызваны генетическими мутациями и могут передаваться по наследству. [45]
Сердечная мышца также может быть повреждена, несмотря на нормальное кровоснабжение. Сердечная мышца может воспалиться при заболевании, называемом миокардитом [46], которое чаще всего вызывается вирусной инфекцией [47] , но иногда и собственной иммунной системой организма . [48] Сердечная мышца также может быть повреждена такими наркотиками, как алкоголь, длительно сохраняющееся высокое кровяное давление или гипертония , а также постоянное аномальное сердцебиение . [49] Многие из этих состояний, если они достаточно тяжелые, могут настолько сильно повредить сердце, что насосная функция сердца снижается. Если сердце больше не может перекачивать достаточно крови для удовлетворения потребностей организма, это называется сердечной недостаточностью . [49]
Значительное повреждение клеток сердечной мышцы называется миоцитолизом , который считается типом клеточного некроза , определяемого как коагуляционный или колликвационный. [50] [51]
{{cite book}}
: CS1 maint: несколько имен: список авторов ( ссылка ){{cite journal}}
: Требуется цитировать журнал |journal=
( помощь ){{cite book}}
: CS1 maint: отсутствует местоположение издателя ( ссылка ){{cite book}}
: CS1 maint: несколько имен: список авторов ( ссылка ){{cite book}}
: CS1 maint: другие ( ссылка ){{cite book}}
: CS1 maint: несколько имен: список авторов ( ссылка )